Астрофизики нашли возможное объяснение тому, как во Вселенной так рано появились сверхмассивные чёрные дыры. Всё указывает на необычные свойства тёмной материи, которая могла сыграть ключевую роль в их формировании.
Сверхмассивные чёрные дыры с массой в миллиарды раз больше Солнца существовали уже через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва. Это ставит под сомнение современные космологические модели, которые не предполагают настолько быструю эволюцию. Авторы исследования, опубликованного на сервере arXiv, предлагает новое объяснение этого феномена.
Учёные традиционно связывают рождение чёрных дыр со смертью массивных звёзд. Но у таких объектов масса редко превышает десятки солнечных. Чтобы чёрная дыра превратилась в сверхмассивную, ей нужно миллиарды лет. Однако в молодой Вселенной просто не хватило времени на формирование звёзд, их гибель и последующее накопление массы.
Астрофизики предположили: чёрные дыры в ранней Вселенной могли рождаться напрямую — без участия звёзд. Газовые облака из водорода и гелия, возможно, сжимались под действием гравитации и сразу превращались в чёрные дыры. Проблема в том, что такие облака обычно охлаждаются, образуют молекулярный водород и распадаются на фрагменты, из которых рождаются звёзды. Чтобы облако не распалось, в него должно попасть достаточно ультрафиолетового излучения — но в молодой Вселенной его почти не было.
Ключ к разгадке учёные увидели в тёмной материи — веществе, которое составляет около 85% массы Вселенной, но остаётся невидимым. Исследователи выдвинули гипотезу: если тёмная материя состоит из сверхлёгких частиц, легче даже нейтрино, то она способна вести себя как квантовый океан. Его волны могли создавать участки с высокой плотностью и вступать во взаимодействие с газом.
Этот квантовый эффект вызвал своеобразный резонанс: плотные области тёмной материи начинали испускать фотоны — частицы света. Вначале энергия этих фотонов была слишком низкой, чтобы повлиять на молекулярный водород. Но затем, по расчётам учёных, в дело могла вступить термализация — процесс, при котором фотонное излучение нагревает окружающий газ. Это тепло привело к появлению ультрафиолета, который мешал образованию молекулярного водорода и не давал облаку распасться.
Компьютерное моделирование подтвердило: сверхлёгкая тёмная материя действительно могла создать условия, при которых газовые облака сжимались напрямую в гигантские чёрные дыры, минуя этап звёздной эволюции.
Теперь учёные ищут следы таких процессов в глубинах космоса — и, возможно, именно они объяснят, как во Вселенной успели появиться «невозможные» монстры массой в миллиарды солнц.
