Тёмная материя может объяснить самые ранние сверхмассивные чёрные дыры

Credit: Public Domain

phys.org, 15 апреля 2026 года

Растущая загадка в астрономии — наличие гигантских чёрных дыр, некоторые из которых достигают массы в миллиард Солнц, уже менее чем через миллиард лет после Большого взрыва. Согласно стандартной теории формирования чёрных дыр, у них просто не было достаточно времени, чтобы вырасти до таких размеров.

Исследование под руководством аспиранта Калифорнийского университета в Риверсайде Яша Аггарвала показывает, что распад тёмной материи может быть ключом к пониманию происхождения этих космических гигантов.

Работа, опубликованная в Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, показывает, что энергия, высвобождаемая при распаде тёмной материи, может изменять химию ранних галактик настолько, что некоторые из них коллапсируют непосредственно в чёрные дыры, минуя стадию формирования звёзд.

Этот результат особенно актуален, поскольку космический телескоп NASA James Webb Space Telescope продолжает обнаруживать необычно массивные чёрные дыры в ранней Вселенной, которые могли образоваться путём прямого коллапса. Ранее астрономы считали, что такой процесс требует редкого совпадения — например, наличия рядом звёзд, освещающих допредзвёздный газ.

Команда Аггарвала выходит за рамки стандартного подхода, используя тёмную материю — невидимые 85% вещества Вселенной, играющие ключевую роль в формировании галактик. Они показывают, что если тёмная материя распадается, она может передавать небольшое количество энергии газу и значительно усиливать вероятность прямого коллапса.

При этом каждая частица тёмной материи должна высвобождать всего лишь ничтожное количество энергии — около одной миллиардной триллионной доли энергии обычной батарейки типа AA.

«Наше исследование показывает, что распадающаяся тёмная материя может существенно изменить эволюцию первых звёзд и галактик, оказывая влияние на всю Вселенную», — отметил Аггарвал.

«С учётом того, что телескоп Webb открывает всё больше сверхмассивных чёрных дыр в ранней Вселенной, этот механизм может помочь устранить разрыв между теорией и наблюдениями».

Флип Танедо, доцент физики и астрономии в UCR и научный руководитель Аггарвала, отметил, что идеи, связанные с этой работой, обсуждались в его группе ещё с 2018 года.

«Первые галактики по сути представляли собой облака чистого водорода, чья химия чрезвычайно чувствительна к малейшим энергетическим воздействиям», — сказал Танедо, соавтор статьи.

«Именно такие свойства мы ищем в детекторе тёмной материи — сигнатурой таких “детекторов” могут быть сверхмассивные чёрные дыры, которые мы наблюдаем сегодня».

Исследовательская группа, в которую также входили Джеймс Дент из Sam Houston State University (Техас) и Тао Сюй из Университета Оклахомы, смоделировала термохимическую динамику газа в присутствии распадающихся аксионов и обнаружила, что диапазон масс тёмной материи примерно от 24 до 27 электрон-вольт может создавать условия для зарождения чёрных дыр прямого коллапса.

Танедо подчеркнул, что работа стала результатом удачного совпадения обстоятельств, когда нужные специалисты встретились в нужное время, в том числе на серии научных семинаров, объединивших физиков элементарных частиц, космологов и астрофизиков для обсуждения ключевых вопросов их области.

«Мы показали, что подходящая среда тёмной материи может значительно повысить вероятность того самого “совпадения”, необходимого для прямого коллапса чёрных дыр», — заключил он.

Домашнее чтение:

📖 - https://dx.doi.org/10.1088/1475-7516/2026/04/034

✊