Международный коллектив астрофизиков под руководством Хао Цзяо из Корнеллского университета выдвинул инновационное объяснение процесса возникновения сверхмассивных чёрных дыр в условиях молодой Вселенной. Исследование связывает взаимодействие ультралёгкой тёмной материи с необходимыми условиями для прямого коллапса огромных газовых облаков в зачатки чёрных дыр.
Сверхмассивные чёрные дыры, чья масса достигает нескольких миллиардов солнечных, обнаруженные в центрах галактик с высокими красными смещениями, остаются одним из главных вопросов астрофизики. Их появление за считанные сотни миллионов лет после Большого взрыва не укладывается в традиционные сценарии роста через аккрецию или слияния, которые обычно требуют миллиардов лет. Одна из теорий предполагает создание «тяжёлых семян» массой около 100 000 солнечных из коллапсирующих атомарных газовых облаков без звёздной стадии. Однако для такого процесса необходимо подавление фрагментации облака с помощью интенсивного ультрафиолетового излучения, способного разрушить молекулы водорода. Долгое время источник такого излучения оставался неопределённым.
Команда под руководством Цзяо сконцентрировалась на ультралёгкой тёмной материи, возможно состоящей из гипотетических частиц — аксионов. Согласно предложенной модели, колебания аксионного поля внутри гало тёмной материи оказывают уникальное воздействие на электромагнитные поля. Это взаимодействие соединяет квантовые характеристики частиц с их пространственной «геометрией» и инициирует параметрический резонанс: энергия аксионного поля передаётся инфракрасным фотонам, провоцируя цепное образование УФ-фотонов либо через достижение теплового равновесия, либо через плотные оптически среды внутри гало.
Исчисления показывают, что этот процесс может создать достаточный поток УФ-излучения для подавления охлаждения и фрагментации молекул в газовых облаках. Это обеспечивает условия для непосредственного коллапса в чёрные дыры в пределах 200–500 миллионов лет после Большого взрыва. Эти «зачатки» массой в десятки тысяч солнечных затем быстро увеличиваются через аккрецию, достигая миллиардных масс при красном смещении z ≈ 6–7, что соответствует наблюдаемым квазарам в ранней Вселенной.
Выдвинутая гипотеза гармонично вписывается в структуру ΛCDM-космологии и вносит дополнительные пояснения к теориям космических струн — гипотетическим одномерным «дефектам» пространства-времени. Кольца струн, прогнозируемые теорией струн, могут способствовать скорейшему формированию плотных гало тёмной материи, усиливая колебания аксионов. Интересно отметить, что подобная модель не нуждается в звёздах первого поколения, решая временной парадокс.
Несмотря на необходимость дальнейшего подтверждения через наблюдения космического излучения и выявление признаков аксионной тёмной материи, предложенная гипотеза предлагает элегантное решение многим загадкам. Сочетание квантовых эффектов тёмной материи с макроскопической структурой Вселенной открывает новые перспективы в понимании эпохи реионизации и галактической эволюции. Следующими этапами станет моделирование процессов параметрического резонанса при экстремальных плотностях ранних гало, а также анализ данных с телескопов JWST и Roman в поисках чёрных дыр, вызванных аксионными взаимодействиями.
Источник: iXBT
