Космос является домом для загадочных гигантов - черных дыр, которые растут больше и быстрее, чем ожидают ученые. Согласно недавнему исследованию, образование этих гигантов может иметь общие корни с другой космической загадкой - темной материей.
Астрофизики знают, что насильственная смерть звезд может привести к образованию черных дыр, обычно в десятки раз превышающих массу Солнца. Однако астрономы наблюдали черные дыры, масса которых составляет миллиарды солнечных масс, говорит Хуман Давудиасл, физик-теоретик по частицам из Брукхейвенской национальной лаборатории в Нью-Йорке и автор исследования, опубликованного в прошлом месяце в журнале Physical Review Letters. Более того, есть доказательства того, что эти "гиганты" существовали с первого миллиарда лет истории Вселенной.
Хотя черные дыры растут со временем, поглощая звезды или объединяясь друг с другом, ученые не уверены, как некоторые из самых больших черных дыр могли съесть достаточно звезд, чтобы достичь своих размеров так быстро, примерно в течение первых 10 процентов истории Вселенной.
По словам Давудиасла, одно из возможных объяснений заключается в том, что эти черные дыры являются первозданными, то есть они образовались в ранней Вселенной и предшествовали появлению первых звезд. В те времена Вселенная была намного горячее и плотнее - примерно как температура ядра Солнца.
То, что ранняя Вселенная претерпела быстрые изменения, является ключом к теории группы, говорит Джулия Герлейн, физик из Брукхейвенской национальной лаборатории и еще один автор исследования.
Это изменение, которое они назвали фазовым переходом, повысило вероятность того, что самые плотные области ранней Вселенной будут коллапсировать в черные дыры. Это немного похоже на фазовые переходы, которые мы наблюдаем в состояниях материи - например, когда жидкая вода превращается в газ, говорит Герлейн. "Вода ведет себя по-разному до и после фазового перехода, - говорит она, - и то же самое происходит с частицами в ранней Вселенной".
Этот переход был бы "бурным, жестоким событием", которое могло бы создать гравитационные волны, говорит Давудиасл.
Это произошло бы в том, что ученые называют "темным сектором", то есть среди темной материи и других частиц, которые мы не можем наблюдать напрямую. Темный сектор означает все, что находится за пределами "известных нам частиц стандартной модели", из которых состоят атомы, говорит Герлейн.
Вопрос о том, произошло ли образование первобытных черных дыр и как это произошло, вызывает некоторые споры среди ученых. Фазовый переход позволил бы некоторым плотным участкам Вселенной схлопнуться в первобытные сверхмассивные черные дыры, говорит Герлейн. Другие группы изучали последствия такого рода перехода, но данное исследование - первое, связавшее сверхмассивные черные дыры и темную материю вместе таким образом, говорит она.
"Мы могли бы связать массу нашего кандидата в темную материю и массу этих черных дыр друг с другом, потому что обе они зависят от температуры, при которой происходит этот переход", - говорит Герлейн. Температура, равная температуре ядра нашего Солнца, хорошо согласуется с теорией образования сверхлегкой темной материи и теорией первозданных черных дыр".
Между тем, фазовый переход мог также привести к существованию сверхлегких частиц темной материи - частиц, масса которых составляла бы лишь крошечную долю массы нейтрино, являющегося самой легкой из известных частиц.
Возможно, что загадка роста черных дыр и причина появления темной материи - это "две стороны одной медали", - говорит Давудиасл. Если "это событие, этот фазовый переход, произошедший при такой температуре, породил эти сверхмассивные черные дыры", то, по его словам, он мог "обеспечить "правильные ингредиенты" для образования сверхлегких частиц темной материи.
Как образование сверхмассивных черных дыр, так и природа темной материи "относятся к наиболее актуальным открытым вопросам современной астрономии и физики", - говорит Таня Риндлер-Даллер, астроном из Венского университета, не принимавшая участия в исследовании.
"Любая модель, которая может убедительно объяснить оба этих явления одним махом, безусловно, будет революционной", - говорит Риндлер-Даллер, если она окажется реальной.
Исследователи могут искать признаки, подтверждающие или опровергающие теорию, двумя основными способами, говорит Герлейн. Они могут попытаться выяснить, существует ли сверхлегкая темная материя, изучая влияние частиц на астрофизику галактик. Также возможно, что исследователи смогут измерить гравитационные волны, возникающие в ранней Вселенной. С помощью будущих детекторов, работающих на частотах, отличных от тех, которые регистрирует усовершенствованная лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория, или LIGO, исследователи смогут увидеть пульсации от этих бурных времен ранней Вселенной.