Физики Брукхейвенской национальной лаборатории (США) разработали новую теоретическую модель, объясняющую загадку появления сверхмассивных черных дыр. Согласно результатам, опубликованным в журнале Physical Review Letters, ключевую роль в этом процессе могла сыграть гипотетическая ультралегкая темная материя, которая коллапсировала во время фазового перехода в эпоху ранней Вселенной.
Известно, что черные дыры с массой порядка миллиарда Солнц успевали сформироваться уже в первый миллиард лет существования Вселенной. Это представляет проблему для космологических моделей, так как на данный момент не известно ни одного астрофизического процесса, который мог бы объяснить такое быстрое возникновение. Одна из популярных гипотез гласит, что черные дыры наращивают массу благодаря аккреции вещества, однако существуют ограничения скорости поглощения материи, как, например, предел Эддингтона. При его превышении скорость поглощения настолько высока, что выделяемая энергия отбрасывает материю из аккреционного диска.
Еще одним возможным механизмом возникновения сверхмассивных черных дыр может служить столкновение галактик, в результате чего находящиеся в их центрах черные дыры сливаются. Однако в ранней Вселенной процесс формирования галактик только начался. В качестве альтернативных гипотез физики предлагают коллапс гигантских газовых облаков в квазизвездные объекты, коллапс плотных звездных скоплений или даже гибель сверхмассивных звезд массой 100 тысяч Солнц.
В новом исследовании физики предложили, что ключевую роль в образовании черных дыр сыграли ультралегкие частицы темной материи, которые на 28 порядков легче протона (10 в минус 28-й степени электронвольт). По мере своего расширения изначально горячая Вселенная постепенно остывала, и при температуре около 110 миллионов кельвинов произошел фазовый переход, когда гравитация, порождаемая ультралегкой темной материей, начал доминировать над давлением. В результате скопления темной материи сколлапсировали с образованием первичных сверхмассивных черных дыр.
Как пишут ученые, коллапс темной материи в сверхмассивные черные дыры должен порождать реликтовые гравитационные волны низких частот, которые в будущем могут быть зафиксированы с помощью новейших детекторов. Существующие детекторы гравитационных волн пока что не обладают необходимой чувствительностью.