Temná hmota řeší záhadu existence supermasivních černých děr. Může to změnit dosavadní chápání vesmíru

Temná hmota by mohla supermasivním černým dírám poskytnout sílu, kterou potřebují k tomu, aby se na konci dlouhé spirálovité cesty ke svému osudu srazily.

Podle nového matematického modelování může být hádanka známá jako problém závěrečného parseku vyřešena přítomností částic samointeragující temné hmoty, které zůstávají shluknuté kolem černých děr a umožňují jim překonat konečnou vzdálenost mezi nimi. Toto zjištění naznačuje, že záhadná hmota, která vesmíru dodává dodatečnou gravitaci, musí být schopna interagovat sama se sebou, protože tento problém nelze vyřešit pomocí modelů neinteragující temné hmoty.

„Ukázali jsme, že zahrnutí dříve přehlíženého efektu temné hmoty může pomoci supermasivním černým dírám překonat tento poslední parsek separace a spojit se,“ říká fyzik Gonzalo Alonso-Álvarez z University of Toronto a McGill University. „Naše výpočty vysvětlují, jak k tomu může dojít, na rozdíl od toho, co se dříve předpokládalo.“

Supermasivní černé díry, které se nacházejí v srdcích galaxií, představují pro astronomy obrovskou hádanku. Víme, že černé díry drobnějších rozměrů vznikají ze zhroucených jader masivních hvězd, kterým došlo termonukleární palivo. Tyto menší hmoty se mohou slučovat do větších, nejmasivnější dosud zjištěné sloučení černých děr vytvořilo objekt o hmotnosti odpovídající 142 Sluncím.

Supermasivní černé díry mají milionkrát až miliardkrát větší hmotnost než Slunce. Lze předpokládat, že tak velkých rozměrů mohou dosáhnout splynutím s jinými černými dírami monstrózních rozměrů. V průběhu historie vesmíru jsme dokonce pozorovali supermasivní černé díry, které kolem sebe kroužily poté, co se jejich galaxie spojily, a zřejmě se chystaly na případnou srážku.

Není však jasné, jak se tyto supermasivní černé díry srážejí. Podle modelů supermasivní černé díry při vzájemném kroužení předávají svou oběžnou energii hvězdám a plynu ve svém okolí, což způsobuje, že se jejich oběžná dráha stále zmenšuje. Jak se jejich vzdálenost zmenšuje, zmenšuje se i množství látek, které mohou ukrást jejich hybnost.

V době, kdy jsou od sebe vzdáleny asi jeden parsek, tedy asi 3,2 světelného roku, jejich galaktické okolí již nemůže podporovat další rozpad oběžné dráhy, takže se dráha černých děr stabilizuje na dobu, která může být velmi dlouhá. Jak dlouho? No, přinejmenším déle, než existuje vesmír.

Jedním ze způsobů, jak zjistit, zda supermasivní černé díry v minulosti skutečně splynuly, jsou gravitační vlny, obrovské vlnění v tkanině časoprostoru, které způsobují velké hmoty při změně rychlosti. Pokud se supermasivní černé díry srážejí v celém vesmíru, mělo by se v pozadí objevovat charakteristické „hučení“ gravitačních vln o velmi nízké frekvenci, které se neustále vlní v celém vesmíru.

Konečně jsme detekovali šum gravitačních vln na pozadí. Což naznačuje, že nám uniká důležitá část příběhu o srážkách supermasivních černých děr. To je problém posledního parseku

Temná hmota může být tím, co nám chybí. Přitom podle předchozích modelů slučování supermasivních černých děr by jejich gravitační interakce měla ze systému vyvrhnout i částice temné hmoty, které by jinak mohly pohltit poslední kousek orbitální energie.

Problém temné hmoty spočívá v tom, že nevíme, co to je. Neinteraguje s běžnou hmotou vesmíru mimo její gravitační přitažlivost, což nesmírně ztěžuje její zkoumání. Říkáme jí temná hmota opravdu jen jako zástupný termín a vědci se snaží zjistit její vlastnosti studiem chování vesmíru jinými způsoby.

Alonso-Álvarez a jeho kolegové si kladli otázku, zda jsme se neunáhlili a nezavrhli temnou hmotu jako řešení, a proto navrhli matematické modely, které to měly ověřit. A zjistili, že temná hmota, která interaguje sama se sebou, může zůstat v blízkosti splývajících supermasivních černých děr, dává černým dírám něco, čemu mohou předat svou poslední oběžnou energii, aby se nakonec mohly obejmout a vytvořit jednu extra velkou supermasivní černou díru.

V současné době jsou výsledky spíše teoretické, ale umožňují předpovědi, které lze pozorovat. Výsledky například předpovídají zmírnění šumu gravitačního vlnového pozadí, jehož náznaky již byly pozorovány. A výsledky lze také využít k pochopení halo temné hmoty, které obklopuje galaxie v celém vesmíru, protože částice musí interagovat v galaktickém měřítku, aby bylo možné vyřešit problém posledního parseku.

V neposlední řadě vědci tvrdí, že jejich výsledky představují nový nástroj pro rozluštění záhad temné hmoty.

„Naše práce představuje nový způsob, který nám pomůže pochopit částicovou povahu temné hmoty,“ říká Alonso-Álvarez. „Zjistili jsme, že vývoj oběžných drah černých děr je velmi citlivý na mikrofyziku temné hmoty, a to znamená, že můžeme využít pozorování splynutí supermasivních černých děr k lepšímu pochopení těchto částic.“

Autor: Lukáš Drahozal

Zdroj: journals.aps.org, en.wikipedia.org, arxiv.org, nasa.gov