Jak czarne dziury stały się tak duże i szybkie? Odpowiedź kryje się w ciemności

Promieniowanie ciemnej materii we wczesnym Wszechświecie mogło pomóc w utrzymaniu wystarczającej temperatury wodoru, aby mógł skroplić się w czarne dziury.

• Supermasywne czarne dziury powstają zwykle przez miliardy lat. Ale Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba Czy wkrótce się odnajdą? Wielki wybuch – Zanim zdążą się uformować.
• Uniwersytet Kalifornijski Astrofizycy odkryli, że w przypadku rozpadu ciemnej materii emitowane przez nią fotony utrzymują wodór na tyle gorący, że grawitacja może go zebrać w gigantyczne chmury i ostatecznie skondensować w masywną masę. Czarna dziura.
• Oprócz wyjaśnienia istnienia bardzo wczesnych supermasywnych czarnych dziur, odkrycie to potwierdza istnienie rodzaju ciemnej materii zdolnej do rozpadu na cząstki takie jak fotony.

Powstawanie supermasywnych czarnych dziur

Powstawanie supermasywnych czarnych dziur, takich jak ta w centrum naszej galaktyki, zajmuje dużo czasu. Droga Mleczna Zwykle narodziny czarnej dziury wymagają wypalenia się gigantycznej gwiazdy o masie co najmniej 50 mas Słońca – proces ten może zająć miliard lat – a jej jądro zapada się.

Jednakże powstała w ten sposób czarna dziura, która ma masę zaledwie około 10 mas Słońca, jest bardzo odległa od czarnej dziury o masie 4 milionów mas Słońca, znanej jako Strzelec A*, znajdującej się w naszej Galaktyce Drogi Mlecznej Lub supermasywne czarne dziury o masie miliarda mas Słońca, które istnieją w innych galaktykach. Takie gigantyczne czarne dziury mogą powstawać z mniejszych czarnych dziur w wyniku akumulacji gazu i gwiazd oraz w wyniku łączenia się z innymi czarnymi dziurami, co zajmuje miliardy lat.

Sekrety odkryte przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba

Dlaczego jednak Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba wykrywa supermasywne czarne dziury na samym początku czasu, tysiące lat przed ich powstaniem? Astrofizycy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Los Angeles znaleźli odpowiedź równie tajemniczą jak same czarne dziury: ciemna materia zapobiegała schładzaniu się wodoru na tyle długo, aby grawitacja skondensowała go w chmury wystarczająco duże i gęste, aby zamiast gwiazd zamienić się w czarne dziury . Wyniki opublikowano 27 sierpnia w czasopiśmie Nature Communications. Listy przeglądowe materiałów.

„Znalezienie supermasywnej czarnej dziury o masie miliarda mas Słońca, podczas gdy sam Wszechświat ma zaledwie pół miliarda lat, było naprawdę niesamowite” – powiedział Alexander Kosenko, profesor fizyki i astronomii na Uniwersytecie Kalifornijskim w Los Angeles i główny autor badania: „To jakby znaleźć nowoczesny samochód wśród kości dinozaurów i zastanawiać się, kto go zbudował w czasach prehistorycznych”.

Wyzwanie związane z chłodzeniem gazu w kosmosie

Niektórzy astrofizycy postawili hipotezę, że ogromna chmura gazu może się zapaść, tworząc bezpośrednio supermasywną czarną dziurę, z pominięciem długiej historii spalania, akrecji i łączenia gwiazd. Ale jest jeden problem: grawitacja przyciąga ogromną chmurę gazu razem, ale nie w jedną wielką chmurę. Zamiast tego gromadzi kawałki gazu w małe aureole, które unoszą się blisko siebie, ale nie tworzą czarnej dziury.

Dzieje się tak dlatego, że chmura gazu ochładza się bardzo szybko. Dopóki gaz jest gorący, jego ciśnienie jest w stanie oprzeć się grawitacji. Jeśli jednak gaz ostygnie, ciśnienie spadnie, a w wielu małych obszarach może dominować grawitacja, która zapadnie się w gęste obiekty, zanim grawitacja będzie miała szansę wciągnąć cały obłok w pojedynczą czarną dziurę.

„Szybkość chłodzenia gazu ma duży związek z ilością wodoru cząsteczkowego” – powiedział pierwszy autor i doktorant Yifan Lu. „Atomy wodoru związane razem w cząsteczce rozpraszają energię, gdy napotykają luźny atom wodoru kukurydza„Cząsteczki wodoru stają się czynnikami chłodzącymi, ponieważ pochłaniają energię cieplną i wypromieniowują ją. Chmury wodoru we wczesnym Wszechświecie zawierały dużo wodoru cząsteczkowego, a gaz szybko się ochładzał i zamiast dużych chmur tworzył małe aureole”.

Lu i badacz ze stopniem doktora Zachary Becker napisali kod obliczający wszystkie możliwe procesy dla tego scenariusza i odkryli, że dodatkowe promieniowanie może podgrzać gaz i oddzielić cząsteczki wodoru, zmieniając sposób, w jaki gaz się ochładza.

„Jeśli dodać promieniowanie o określonym zakresie energii, niszczy ono wodór cząsteczkowy i tworzy warunki, które zapobiegają rozpadowi dużych chmur” – dodał Lu.

Rola ciemnej materii w powstawaniu czarnych dziur

Ale skąd pochodzi promieniowanie?

Niewielki ułamek materii we wszechświecie to ten, z którego składają się nasze ciała, planeta, gwiazdy i wszystko inne, co możemy zaobserwować. W rzeczywistości zdecydowana większość materii, którą można zaobserwować poprzez jej wpływ grawitacyjny na ciała gwiazdowe i zakrzywianie promieni świetlnych pochodzących z odległych źródeł, składa się z nowych cząstek, których naukowcom nie udało się jeszcze zidentyfikować.

Kształty i właściwości ciemnej materii są tajemnicą, która pozostaje do rozwiązania. Chociaż nie wiemy, czym jest ciemna materia, naukowcy zajmujący się cząstkami od dawna wyobrażali sobie, że może ona zawierać niestabilne cząstki, które mogą rozpadać się na fotony, czyli cząstki światła. Uwzględnienie takiej ciemnej materii w symulacji zapewniło promieniowanie potrzebne gazowi do przetrwania w dużym obłoku zapadającym się w czarną dziurę.

Ciemna materia może składać się z wolno rozkładających się cząstek lub może składać się z więcej niż jednej cząstki KlasyfikowaćNiektóre są stabilne, inne rozkładają się wcześnie. W obu przypadkach produktem rozpadu może być promieniowanie w postaci fotonów, które rozbijają wodór cząsteczkowy i zapobiegają zbyt szybkiemu ochłodzeniu się obłoków wodoru. Nawet bardzo łagodny rozpad ciemnej materii wytwarza wystarczającą ilość promieniowania, aby zapobiec ochłodzeniu, tworzeniu się dużych chmur i ostatecznie supermasywnych czarnych dziur.

„To może być odpowiedź na pytanie, dlaczego supermasywne czarne dziury zostały odkryte tak wcześnie” – powiedział Becker „Jeśli jesteś optymistą, możesz to również odczytać jako pozytywny dowód na istnienie jednego rodzaju ciemnej materii. Jeśli te supermasywne czarne dziury powstały jako być może powinny powstać w wyniku zapadnięcia się chmury gazu… Dodatkowe wymagane promieniowanie pochodziłoby z nieznanej fizyki ciemnego sektora.

Odniesienie: „Bezpośredni zapadnięcie się supermasywnych czarnych dziur w wyniku rozpadu cząstek resztkowych” Yifan Lu, Zachary S.C. Baker i Alexander Kosenko, 27 sierpnia 2024 r., Listy przeglądowe materiałów.
doi: 10.1103/PhysRevLett.133.091001