В центре Млечного Пути, как матрёшка в матрёшке, спрятана сверхмассивная чёрная дыра, а вокруг неё — рой звёзд и невидимая оболочка из тёмной материи. Эта оболочка, или «шип», по идее должна быть очень плотной у самого горизонта. Но звёзды и мелкие чёрные дыры, кружащие рядом, могут действовать как ложка в чашке с кофе: перемешивать и разбрасывать частицы. Авторы новой работы решили проверить, насколько сильно эта «ложка» портит шип.
Они взяли данные о настоящих звёздах в центре Галактики — S2 и S38, которые подходят к чёрной дыре на расстояние примерно в 300 раз больше, чем радиус её горизонта. Оказалось, что на таких дистанциях звёзды почти не возмущают тёмную материю. А вот дальше, на расстоянии в 30 000 горизонтов, звёздное скопление действительно выметает частицы, но это слишком далеко от того места, где рождаются гравитационные волны, которые ловят детекторы.
Затем учёные смоделировали историю падений маленьких чёрных дыр массой в 10 Солнц на центральную сверхмассивную дыру. Такие события называются экстремальными массовыми отношениями (EMRI). За 10 миллиардов лет таких падений набралось бы около 60. И даже это не стирает шип: в самой сердцевине, на расстоянии меньше одной десятитысячной горизонта, плотность тёмной материи падает лишь до 82% от первоначальной. Это как если бы вы десять раз проехались пылесосом по ковру, а рисунок остался почти нетронутым.
Результат важен для будущих наблюдений: если шип сохраняется, то он должен слегка менять форму гравитационных волн, которые испускает маленькая чёрная дыра при сближении с гигантом. Космический детектив LISA, который заработает в 2030-х, сможет уловить эти изменения и тем самым «взвесить» невидимую оболочку вокруг чёрной дыры. Так что тёмная материя, возможно, не такая уж и тёмная — просто её нужно слушать, а не разглядывать.
как её написали авторы, на английском arXiv:2606.13761
Establishing realistic expectations for the dark matter (DM) distribution near a supermassive black hole (BH) is essential for assessing environmental imprints on gravitational wave (GW) signals. Using the Galactic Center as an observationally constrained case study, we investigate the evolution of DM density spikes under gravitational perturbations from the nuclear stellar and black hole populations surrounding the central BH. We find that scattering of DM particles by the nuclear star cluster depletes the DM distribution at radii $$r \sim 10^{-1}~\mathrm{pc}$$, far outside the region where the relevant GW signals are produced. At smaller radii, at $$r \sim 10^{-3}~\mathrm{pc}$$, the closest known stellar perturbers, S2 and S38, induce only negligible changes to the density profile. At still smaller radii, where no stellar perturbers are currently known, we assess the cumulative impact of past EMRIs by modelling successive mergers with stellar-mass BHs of mass $$\sim10~\mathrm{M}_\odot$$, in numbers consistent with the expected rate over $$10~\mathrm{Gyr}$$. We find that these events do not erase the central overdensity, reducing the density only to approximately $$82 \%$$ of its initial value at $$r \lesssim 10^{-5}~\mathrm{pc}$$. Our results indicate that, at least at the Galactic Center, DM overdensities around the central BH are expected to remain largely intact under stellar perturbations and plausible stellar-BH merger histories.
Плотность тёмной материи у горизонта сверхмассивной чёрной дыры может быть в миллион раз выше, чем в среднем по Галактике — как если бы весь воздух в комнате собрался в напёрсток.
В романе «Ложная слепота» Питера Уоттса инопланетный корабль маскируется под сгусток тёмной материи — возможно, именно такие «шипы» и есть лучшие укрытия во Вселенной.