Открыт механизм, который объясняет, как аксионы помогли вырастить гигантские чёрные дыры за рекордные 500 млн лет

03.04.2025 10:49:00 | iXBT.com

Международная группа астрофизиков под руководством Хао Цзяо из Корнеллского университета предложила новый механизм формирования сверхмассивных чёрных дыр в ранней Вселенной. Результаты исследования связывают процессы в ультралёгкой тёмной материи с условиями, необходимыми для прямого коллапса гигантских газовых облаков в «семена» чёрных дыр.

Сверхмассивные чёрные дыры, массой в миллиарды солнц, обнаруженные в ядрах галактик на высоких красных смещениях, остаются астрофизической загадкой. Их существование в первые сотни миллионов лет после Большого взрыва противоречит классическим сценариям роста через аккрецию или слияния, поскольку такие процессы требуют миллиардов лет. Одна из гипотез предполагает формирование «тяжёлых семян» массой около 100 000 солнц из коллапсирующих облаков атомарного газа, минуя стадию звёзд. Однако для этого необходимо подавление фрагментации облака под действием интенсивного ультрафиолетового излучения, которое разрушает молекулы водорода. До сих пор источник такого излучения оставался неясным.

Иллюстрация: NASA, ESA, N. Bartmann

Команда Цзяо обратила внимание на ультралёгкую тёмную материю, предположительно состоящую из аксионов — гипотетических частиц. Согласно модели, колебания аксионного поля в гало тёмной материи особым образом влияют на электромагнитные поля. Это взаимодействие связывает квантовые свойства частиц с их «геометрией» в пространстве и запускает параметрический резонанс: энергия аксионного поля передаётся инфракрасным фотонам, что приводит к каскадному рождению УФ-фотонов либо через установление теплового равновесия, либо через оптически плотные среды в гало.

Расчёты показывают, что такой процесс способен генерировать достаточный поток УФ-излучения для подавления молекулярного охлаждения и фрагментации газовых облаков. Это создаёт условия для прямого коллапса в чёрные дыры уже через 200–500 млн лет после Большого взрыва. «Семена» массой в десятки тысяч солнц затем быстро растут за счёт аккреции, достигая миллиардных масс к красному смещению z ≈ 6–7, что согласуется с наблюдениями квазаров ранней Вселенной.

Предложенный механизм вписывается в рамки ΛCDM-космологии и дополняет теории космических струн — гипотетических одномерных «дефектов» пространства-времени. Петли струн, предсказываемые теорией струн, могли способствовать раннему формированию плотных гало тёмной материи, усиливая аксионные колебания. Интересно, что модель не требует наличия звёзд первого поколения, что устраняет временнóй парадокс.

Хотя гипотеза требует проверки через наблюдения реликтового излучения и поиска специфических признаков аксионной тёмной материи, она предлагает элегантное решение сразу нескольких проблем. Объединение квантовых эффектов тёмной материи с крупномасштабной структурой Вселенной открывает новые пути для понимания эпохи реионизации и эволюции галактик. Следующим шагом станет моделирование процессов параметрического резонанса в условиях экстремальных плотностей ранних гало, а также анализ данных телескопов JWST и Roman в поисках следов «аксионных» сверхмассивных чёрных дыр.

Подробнее