Физики из Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) разработали систему, объясняющую образование сверхмассивных черных дыр, а также природу темной материи. Ученые описали космологический фазовый переход, который способствовал появлению этих космических объектов, пишет Хайтек.
Команда представила модель для темной материи Вселенной, где еще не открытые частицы находятся в изобилии и иногда взаимодействуют. Среди этих частиц может находиться и сверхлегкая темная материя, которая, по прогнозам, будет на 28 порядков легче протона. Непосредственно темную материю исследователям никогда не удавалось наблюдать. Однако физики, основываясь на гравитационных эффектах, предполагают, что она составляет большую часть материи Вселенной.
Космологический фазовый переход напоминает другой тип фазового перехода: доведение воды до кипения. Когда вода достигает точно нужной температуры, она превращается в пузырьки и пар. В случае с черными дырами этот процесс происходит с изначальным состоянием материи и в обратном порядке, поскольку обладает охлаждающим эффектом.
«До того, как появились галактики, Вселенная была горячей и плотной, это точно установлено. То, как Вселенная остыла до сегодняшнего дня, представляет интерес, потому что у нас нет экспериментальных данных, описывающих, как это произошло», — сказал Питер Дентон, физик-теоретик, автор исследования. — Мы можем предсказать, что произошло с изученными частицами, потому что они часто взаимодействуют. Но что, если существуют еще неизвестные частицы, которые действуют по-другому?»
Недавние наблюдения показали, что сверхмассивные черные дыры образовались во Вселенной намного раньше, чем предполагали физики. Они приобретают массу двумя способами: с помощью аккреции, когда материя, в основном пыль, попадает в них, и при столкновении и слиянии двух черных дыр. Пока физики могут лишь догадываться, как черные дыры становятся сверхмассивными с такой скоростью. Сверхлегкие частицы темной материи могут дать ответ на этот вопрос.
«Мы предположили, что частицы в темном секторе могут претерпевать фазовый переход, который позволяет материи очень эффективно преобразовываться в черные дыры, — сказал Дентон. — Когда температура Вселенной стабильна, давление может внезапно упасть до очень низкого уровня, позволяя гравитации взять верх, а материи разрушиться. Наше понимание известных частиц указывает на то, что в обычных условиях этот процесс не запускается».
Текущие эксперименты с гравитационными волнами недостаточно чувствительны, чтобы подтвердить теорию, но эксперименты следующего поколения могут помочь обнаружить сигналы этих волн. И, основываясь на характерной форме волн, физики могли бы сузить детали образования сверхмассивных черных дыр. До этого момента теоретики Брукхейвена будут продолжать оценивать новые данные и совершенствовать модель.
