Астрофизики из Корнеллского университета под руководством Хао Цзяо выдвинули новую теорию о формировании сверхмассивных чёрных дыр в ранней Вселенной. Исследование связывает процессы, происходящие в ультралёгкой тёмной материи, с условиями, необходимыми для прямого коллапса гигантских газовых облаков в «семена» чёрных дыр.
Сверхмассивные чёрные дыры, масса которых равна миллиардам солнц и которые обнаружены в центрах галактик на высоких красных смещениях, представляют собой астрофизическую загадку. Их наличие в первые сотни миллионов лет после Большого взрыва противоречит обычным сценариям роста через аккрецию или слияния, так как такие процессы требуют миллиардов лет. Одна из гипотез предполагает образование «тяжёлых семян» массой около 100 000 солнц из коллапсирующих облаков атомарного газа, минуя стадию звёзд. Для этого необходимо подавление фрагментации облака под действием интенсивного ультрафиолетового излучения, разрушающего молекулы водорода. Источник такого излучения до сих пор оставался неизвестным.
Группа Цзяо изучила ультралёгкую темную материю, предполагаемую состоящей из аксионов — гипотетических частиц. По модели, колебания поля аксионов в гало темной материи специфично воздействуют на электромагнитные поля. Это взаимодействие связывает квантовые свойства частиц с их «геометрией» в пространстве и запускает параметрический резонанс: энергия поля аксионов передается инфракрасным фотонам, что приводит к каскадному рождению УФ-фотонов либо через установление теплового равновесия, либо через оптически плотные среды в гало.
Вычисления свидетельствуют о том, что данный процесс способен производить достаточное количество УФ-излучения для подавления молекулярного охлаждения и распада газовых облаков. Это порождает предпосылки для прямого коллапса в чёрные дыры уже через 200–500 миллионов лет после Большого взрыва. «Семена» массой, сопоставимой с десятками Солнц, быстро увеличиваются за счёт аккреции, достигая масс в миллиарды солнечных масс к красному смещению z ≈ 6–7, что соответствует наблюдениям квазаров ранней Вселенной.
Предложенный механизм соответствует модели ΛCDM и расширяет теории космических струн — гипотетических одномерных «дефектов» пространства-времени. Предсказываемые теорией струн петли могли способствовать раннему образованию плотных гало тёмной материи, усиливая аксионные колебания. Модель не требует наличия звёзд первого поколения, что решает временной парадокс.
Гипотеза нуждается в проверке наблюдениями реликтового излучения и поиском специфических признаков аксионной тёмной материи, но 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.