Problem ostatniego parseka – czy udało się go rozwiązać?
Najnowsze obliczenia wskazują, że pary supermasywnych czarnych dziur (SMBH) mogą łączyć się w jeden, jeszcze większy obiekt, dzięki wcześniej przeoczonemu zachowaniu cząstek ciemnej materii. Może to rozwiązywać jedną z astronomicznych zagadek – problem ostatniego parseka
Problem ostatniego parseka to, jak tłumaczą naukowcy, teoretyczna trudność w modelowaniu łączenia się supermasywnych czarnych dziur w centrum zderzających się galaktyk. Badania naukowców z University of Toronto – „Self-interacting dark matter solves the final parsec problem of supermassive black hole mergers”, dotyczące tej zagadki zostały opublikowane w czasopiśmie Physical Review Letters.
W 2023 r. astrofizycy wykryli „szum” fal grawitacyjnych przenikających Wszechświat. Postawili hipotezę, że ten sygnał tła pochodzi od milionów łączących się SMBH, z których każda jest miliardy razy masywniejsza od Słońca. Jednak symulacje teoretyczne wykazały, że gdy pary tych gigantycznych obiektów zbliżają się do siebie, zatrzymują się, gdy znajdują się w odległości około parseka – około trzech lat świetlnych – uniemożliwiając fuzję.
Zdaniem badaczy, problem ostatniego parseka, był nie tylko sprzeczny z teorią, że łączące się supermasywne czarne dziury są źródłem tła fal grawitacyjnych, ale także z teorią, że SMBH powstają w wyniku łączenia się mniej masywnych czarnych dziur.
„Pokazujemy, że uwzględnienie wcześniej pomijanego efektu ciemnej materii może pomóc supermasywnym czarnym dziurom pokonać ten ostatni parsek separacji i połączyć się. Nasze obliczenia wyjaśniają, w jaki sposób może to nastąpić, w przeciwieństwie do tego, co wcześniej sądzono” – mówi Gonzalo Alonso-Álvarez z University of Toronto.
Astronomowie zakładali, że supermasywne czarne dziury znajdują się w centrach większości galaktyk, a gdy dwie z nich zderzają się, SMBH wpadają na orbitę wokół siebie. Gdy obracają się wokół siebie, grawitacja pobliskich gwiazd przyciąga je i spowalnia. Przez co spiralnie kierują się w kierunku połączenia.
Poprzednie modele fuzji wykazały, że gdy czarne dziury zbliżają się do siebie na odległość około parseka, zaczynają oddziaływać z obłokiem ciemnej materii lub halo, w którym są osadzone. Badacze zakładali, że grawitacja spiralnie poruszających się SMBH wyrzuca cząstki ciemnej materii z układu, a przez jej rzadkość, energia nie jest pobierana z pary, przez co wzajemne orbity przestają się kurczyć.
Modele te odrzucały wpływ ciemnej materii na orbity supermasywnych czarnych dziur, jednak nowy sugeruje, że jej cząstki oddziałują ze sobą w taki sposób, że nie są rozpraszane. Gęstość halo ciemnej materii pozostaje na tyle wysoka, że interakcje między cząstkami a SMBH nadal degradują orbity obiektów, przez co może dojść do fuzji.
„Możliwość, że cząstki ciemnej materii oddziałują ze sobą jest naszym założeniem, dodatkowym składnikiem, którego nie zawierają wszystkie modele ciemnej materii. Nasz argument jest taki, że tylko modele zawierające ten składnik mogą rozwiązać problem ostatniego parseka” – tłumaczy Alonso-Álvarez.
Szum tła generowany przez te kolosalne kosmiczne zderzenia składałby się z fal grawitacyjnych o znacznie większej długości niż te wykryte po raz pierwszy w 2015 roku przez astrofizyków obsługujących Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO). Te uchwycone zostały wygenerowane przez połączenie się dwóch czarnych dziur, których masa jest około 30 razy większa od masy Słońca.
„Nasza praca to nowy sposób, aby zrozumieć cząsteczkową naturę ciemnej materii. Odkryliśmy, że ewolucja orbit czarnych dziur jest bardzo wrażliwa na mikrofizykę ciemnej materii, a to oznacza, że możemy wykorzystać obserwacje fuzji supermasywnych czarnych dziur, aby lepiej zrozumieć te cząstki, jak i rozwiązać problem ostatniego parseka” – podsumowuje Alonso-Álvarez.
Emil Gołoś
