Kanadyjscy fizycy wykazali, że ultralekka ciemna materia przypominająca aksjony jest zdolna do generowania silnego promieniowania ultrafioletowego, co umożliwia szybkie powstawanie supermasywnych czarnych dziur. Jednocześnie takie powstawanie może zachodzić bezpośrednio z zimnego gazu, bez typowej fazy formowania się gwiazd. Artykuł z opisem pracy umieszczono w repozytorium arXiv.org.
Według współczesnych obserwacji czarne dziury o masie kilku miliardów mas Słońca istniały we Wszechświecie już około miliarda lat po Wielkim Wybuchu. Jednocześnie mechanizm ich powstawania wciąż pozostaje tajemnicą. Naukowcy zakładają, że takie obiekty mogły powstać w wyniku bezpośredniego zapadnięcia się. Jednocześnie, ogromna chmura gazu znajdująca się na wczesnym etapie formowania się galaktyki musi zostać ściśnięta do postaci czarnej dziury, omijając etap rozbłysków gwiazdotwórczych. Aby to jednak nastąpiło, cząsteczkowy wodór w chmurze musi mieć czas na schłodzenie gazu i spowodowanie jego rozpadu na mniejsze części. Duży przepływ fotonów ultrafioletowych, których źródło na razie pozostaje przedmiotem naukowych dyskusji, może zapobiec tworzeniu się wodoru cząsteczkowego.
Fizycy Hao Jiao, Robert Brandenberger i Vahid Kamali z Uniwersytetu McGill zaproponowali mechanizm produkcji takich fotonów przy użyciu ultralekkiej ciemnej materii. Naukowcy rozważali ciemną materię podobną do aksjonu, która słabo, ale jednak oddziałuje z polem elektromagnetycznym. W dużych halo takiej materii pole oscyluje wystarczająco spójnie, aby wygenerować kaskadę fotonów w zakresie podczerwieni na skutek efektu rezonansu parametrycznego. Następnie fotony te albo przechodzą do widma termicznego, zwiększając temperaturę gazu, albo za pomocą kaskady turbulentnej przesuwają się w stronę energii ultrafioletowej wystarczającej do jonizacji wodoru i zapobiegania tworzeniu się jego cząsteczek. Obliczenia naukowców wykazały, że nawet przy bardzo słabym połączeniu aksjonu ze światłem taki model jest w stanie zapewnić niezbędny poziom promieniowania ultrafioletowego do bezpośredniego zapadnięcia się i utworzenia ciężkich czarnych dziur o masie około stu tysięcy mas Słońca.
Autorzy zauważają, że w przeciwieństwie do tradycyjnych scenariuszy, nie jest tu wymagana emisja gorących gwiazd ani specyficzna struktura rodzącej się galaktyki. Dlatego też bezpośredni kolaps mógł rozpocząć się jeszcze przed erą aktywnego formowania się gwiazd, co naturalnie wyjaśnia obecność supermasywnych czarnych dziur przy dużych przesunięciach ku czerwieni.
Warto zaznaczyć, że na razie nie udało się zarejestrować aksjonów, jednak fizycy nadal ich poszukują.