Oamenii de știință au modelat cât de supermasiv gauri negre se formează atunci când două găuri negre mai mici se îmbină. Dar în simulările lor, cele mai multe perechi de găuri negre masive rămân blocate orbitându-se una în jurul celeilalte pe termen nelimitat. Acum, este posibil ca oamenii de știință să fi găsit în sfârșit o soluție la această „problemă finală de parsec” – și poate ajuta, de asemenea, la descoperirea identității uneia dintre cele mai misterioase componente ale universului.
În inima majorității galaxiilor obișnuite se ascunde o gaură neagră supermasivă (SMBH), ca cea fotografiat de Telescopul Event Horizon colaborare în galaxia M87. Acesta este de aproximativ 6,5 miliarde de ori masa Soarelui, dar nu a fost întotdeauna atât de mare. Astronomii cred că SMBH-urile încep mult mai mici și devin gigante prin fuziuni repetate cu alte găuri negre.
Dovezile pentru acești giganți care se ciocnesc au venit în 2023, când oamenii de știință cu colaborarea International Pulsar Timing Array au anunțat că au găsit un „zumzet” de fundal al undelor gravitaționale — ondulații în țesătura spațiu-timp eliberate în timpul fuziunilor de obiecte extrem de masive. Astronomii cred că acest fundal este produs de perechi îndepărtate de găuri negre masive, în timp ce trimit spațiul „sunet” cu ecoul gravitațional al coliziunilor lor îndepărtate.
Dans cosmic etern
Cercetătorii folosesc simulări computerizate sofisticate pentru a investiga dansul complex al acestor găuri negre care circulă în cerc. Dar până acum, modelele s-au confruntat cu o problemă: când găurile negre ajung la o distanță de aproximativ un parsec – aproximativ 3,26 ani lumină – ele rămân blocate, înconjurându-se etern.
Înrudit: Singularitățile găurii negre sfidează fizica. Noile cercetări le-ar putea înlătura în sfârșit.
Asta pentru că, pentru a se ciocni și a fuziona, găurile negre în spirală trebuie mai întâi să piardă energie și să încetinească. În timp ce se apropie una de cealaltă de la mulți ani lumină distanță, găurile negre orbitează prin nori de gaz și grupuri de stele care le încetinesc mișcarea, făcându-le să se apropie și mai mult.
Dar până când ajung la ultimul parsec, nu mai este suficient material pentru a le epuiza energia. În schimb, modelele prevăd că durata fuziunii lor finale se întinde până la mai mult decât vârsta actuală a universului. Aceasta a devenit cunoscută drept „problema finală a parsecului”.
Oamenii de știință au venit cu câteva idei pentru a rezolva problema. Un răspuns ar putea fi că un disc de materie care se rotește în jurul găurilor negre, numit disc de acreție, ar putea accelera pătrunderea acestora. Simulări computerizate anterioare arată că acestea reduc timpul la câteva miliarde de ani, dar asta nu este suficient pentru a explica fundalul observat al undelor gravitaționale sau pentru a explica modul în care SMBH-urile pot crește atât de mari.
Acum, o lucrare publicată în iulie în jurnal Scrisori de revizuire fizică sugerează un nou mod în care găurile negre ar putea pierde această energie rămasă: dacă materia întunecată „interacţionează singur”.
„Posibilitatea ca particulele de materie întunecată să interacționeze între ele este o presupunere pe care am făcut-o, un ingredient suplimentar pe care nu îl conțin toate modelele de materie întunecată”, autorul principal al studiului. Gonzalo Alonso-Álvarezun bursier postdoctoral la Universitatea din Toronto, a declarat într-un declaraţie. „Argumentul nostru este că numai modelele cu acel ingredient pot rezolva problema finală a parsecului”.
Deşi materie întunecată este de cinci ori mai abundent în univers decât materia obișnuită, este în esență invizibil și se cunosc puține despre proprietățile sale. De obicei, oamenii de știință presupun că este fără coliziuni, adică nu interacționează cu materia obișnuită sau cu ea însăși, în niciun fel decât prin gravitație. Dar pentru că se cunosc atât de puține lucruri despre el, astronomii trec uneori dincolo de acest model simplu.
Fizicienii au luat în considerare materia întunecată cu auto-interacțiune (SIDM) înainte, deoarece poate ajuta la explicarea structurilor la scară mică din galaxii cu care se luptă materia întunecată tradițională și pentru că poate ajuta la explicarea formării galaxii neașteptat de mari din universul timpuriu.
Atracția gravitațională a SMBH atrage materia întunecată într-o concentrație densă pe care astrofizicienii o numesc „pică”. Când autorii studiului au folosit materie întunecată obișnuită în modelele lor, vârful nu a absorbit toată energia din găurile negre.
„Teroanele sunt incapabile să absoarbă căldura de frecare și sunt distruse de fuziune”, explică echipa în lucrare. Energia din găurile negre care orbitează încălzește materia întunecată, dispersând-o în cele din urmă în galaxia mai largă, neutralizând efectul dorit asupra găurilor negre care orbitează.
Cu toate acestea, atunci când echipa a ajustat proprietățile materiei întunecate în modelele lor pentru a o face să interacționeze singur, au descoperit că vârful a absorbit energia fără a fi perturbat. Găurile negre continuă să se spiraleze în interior și în zona în care emit unde gravitaționale pe care experimentele de sincronizare a pulsarilor le pot detecta. (Pulsari — stele de neutroni care se rotesc rapid — emit fascicule de radiații precum farurile cosmice; măsurând cu atenție timpii de sosire a fulgerurilor lor, oamenii de știință pot detecta mici variații cauzate de trecerea undelor gravitaționale).
În aceste modele, găurile negre fuzionează în mai puțin de un miliard de ani – o scală de timp suficient de scurtă încât nenumărate fuziuni ar putea produce fundalul undelor gravitaționale detectate.
SIDM înmoaie spectrul
Deși sunt încă teoretice, noile modele SIDM pot ajuta la rezolvarea unui alt puzzle. Când găurile negre sunt îndepărtate, ele radiază unde gravitaționale foarte lungi, ca niște creste larg separate ale valurilor oceanice. Pe măsură ce găurile negre se apropie în spirală, crestele se apropie și ele. Dar măsurătorile din sincronizarea pulsarilor sugerează că înălțimea crestelor este mai mică atunci când sunt mai apropiate unele de altele – un efect pe care astronomii îl numesc „înmuiere” a spectrului.
Nu există o astfel de înmuiere atunci când folosesc materie întunecată obișnuită, dar când echipa a introdus în schimb SIDM, vârful materiei întunecate nu numai că a absorbit energie, ci și a înmuiat spectrul undelor gravitaționale.
„O predicție a propunerii noastre este că spectrul undelor gravitaționale observate de rețelele de sincronizare a pulsarilor ar trebui să fie atenuat la frecvențe joase”, coautor al studiului. James Clineprofesor la Universitatea McGill și la Departamentul de Fizică Teoretică CERN din Elveția, a declarat în declarație. „Datele actuale deja indică acest comportament, iar noi date ar putea să-l confirme în următorii câțiva ani”.
Dacă măsurătorile viitoare ale rețelelor de sincronizare a pulsarilor confirmă înmuierea spectrului undelor gravitaționale, oamenii de știință ar putea în sfârșit să învețe mai multe despre proprietățile evazive ale materiei întunecate din comportamentul unora dintre cei mai mari giganți din univers.