Promieniowanie ciemnej materii we wczesnym Wszechświecie mogło utrzymywać wodór na tyle gorący, że mógł skroplić się w czarne dziury.
- Supermasywne czarne dziury powstają zwykle przez miliardy lat. Ale Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba znajduje je niedługo po Wielki Wybuch – zanim mieli czas 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 supermasywną masę czarna dziura.
- Oprócz wyjaśnienia istnienia bardzo wczesnych supermasywnych czarnych dziur, odkrycie potwierdza istnienie pewnego rodzaju ciemnej materii zdolnej do rozpadu na cząstki takie jak fotony.
Powstawanie supermasywnych czarnych dziur
W przypadku supermasywnych czarnych dziur, takich jak ta w centrum naszej, potrzeba dużo czasu Droga Mleczna galaktyka, uformować się. Zazwyczaj narodziny czarnej dziury wymagają wypalenia się gigantycznej gwiazdy o masie co najmniej 50 mas Słońc – proces ten może zająć miliard lat – a jej rdzeń zapadnięcia się.
Mimo to, mająca zaledwie około 10 mas Słońca, powstała czarna dziura znacznie różni się od czarnej dziury o masie 4 milionów mas Słońca, Sagittarius A*, znalezionej w naszej galaktyce Drogi Mlecznej, czy supermasywnych czarnych dziur o masie miliardów Słońc. znalezione w innych galaktykach. Takie gigantyczne czarne dziury mogą powstawać z mniejszych czarnych dziur w wyniku akrecji gazu i gwiazd oraz łączenia się z innymi czarnymi dziurami, co zajmuje miliardy lat.
Tajemnice odkryte przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba
Dlaczego zatem Teleskop Kosmiczny Jamesa Webba odkrywa supermasywne czarne dziury na samym początku czasu, eony wcześniej, zanim powinny były powstać? Astrofizycy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Los Angeles (UCLA) mają odpowiedź równie tajemniczą jak same czarne dziury: ciemna materia powstrzymywała wodór przed ochłodzeniem na tyle długo, aby grawitacja mogła go skondensować w chmury wystarczająco duże i gęste, aby zamienić się w czarne dziury zamiast w gwiazdy . Odkrycie opublikowano w czasopiśmie 27 sierpnia Listy z przeglądu fizycznego.
„Jakże zaskakujące było odkrycie supermasywnej czarnej dziury o masie miliarda Słońca, podczas gdy sam Wszechświat ma zaledwie pół miliarda lat” – powiedział starszy autor Alexander Kusenko, profesor fizyki i astronomii na UCLA. „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 przypuszczali, że duża chmura gazu może się zapaść, tworząc bezpośrednio supermasywną czarną dziurę, z pominięciem długiej historii spalania, akrecji i łączenia się gwiazd. Ale jest pewien haczyk: grawitacja rzeczywiście przyciąga dużą chmurę gazu, ale nie w jedną dużą chmurę. Zamiast tego gromadzi fragmenty gazu w małe aureole, które unoszą się blisko siebie, ale nie tworzą czarnej dziury.
Powodem jest zbyt szybkie ochładzanie się chmury gazu. Dopóki gaz jest gorący, jego ciśnienie może przeciwdziałać grawitacji. Jeśli jednak gaz ostygnie, ciśnienie spadnie, a w wielu małych obszarach może dominować grawitacja, która zapada się w gęste obiekty, zanim grawitacja będzie miała szansę wciągnąć cały obłok w pojedynczą czarną dziurę.
„To, jak szybko stygnie gaz, ma wiele wspólnego z ilością wodoru cząsteczkowego” – powiedział pierwszy autor i doktorant Yifan Lu. „Atomy wodoru związane razem w cząsteczce rozpraszają energię, gdy napotykają luźny wodór atom. Cząsteczki wodoru stają się czynnikami chłodzącymi, ponieważ absorbują energię cieplną i emitują ją. Chmury wodoru we wczesnym Wszechświecie zawierały zbyt dużo wodoru cząsteczkowego, przez co gaz szybko się ochładzał i zamiast dużych chmur tworzył małe aureole”.
Lu i badacz ze stopniem doktora Zachary Picker napisali kod umożliwiający obliczenie wszystkich możliwych procesów w tym scenariuszu i odkryli, że dodatkowe promieniowanie może podgrzać gaz i zdysocjować cząsteczki wodoru, zmieniając sposób chłodzenia gazu.
„Jeśli dodać promieniowanie o określonym zakresie energii, niszczy ono wodór cząsteczkowy i tworzy warunki zapobiegające fragmentacji dużych chmur” – powiedział Lu.
Rola ciemnej materii w powstawaniu czarnych dziur
Ale skąd pochodzi promieniowanie?
Tylko bardzo niewielka część materii we wszechświecie składa się z naszych ciał, naszej planety, gwiazd i wszystkiego innego, co możemy obserwować. Zdecydowana większość materii wykrywanej na podstawie jej oddziaływania grawitacyjnego na obiekty gwiazdowe oraz załamania promieni świetlnych z odległych źródeł składa się z nowych cząstek, których naukowcy jeszcze nie zidentyfikowali.
Formy i właściwości ciemnej materii są zatem tajemnicą, która pozostaje do rozwiązania. Chociaż nie wiemy, czym jest ciemna materia, teoretycy cząstek od dawna spekulują, że może ona zawierać niestabilne cząstki, które mogą rozpadać się na fotony, czyli cząstki światła. Uwzględnienie takiej ciemnej materii w symulacjach zapewniło promieniowanie potrzebne gazowi do pozostania w dużym obłoku podczas zapadania się w czarną dziurę.
Ciemna materia może składać się z cząstek, które powoli się rozpadają, lub może składać się z więcej niż jednej cząstki gatunek: niektóre stabilne i takie, które zanikają we wczesnym okresie. W obu przypadkach produktem rozpadu może być promieniowanie w postaci fotonów, które rozbijają wodór cząsteczkowy i zapobiegają zbyt szybkiemu ochłodzeniu chmur wodoru. Nawet bardzo łagodny rozpad ciemnej materii wytworzył wystarczającą ilość promieniowania, aby zapobiec ochłodzeniu, tworząc duże chmury, a ostatecznie supermasywne czarne dziury.
„To może być rozwiązanie problemu bardzo wczesnego odkrywania supermasywnych czarnych dziur” – powiedział Picker. „Jeśli jesteś optymistą, możesz to również odczytać jako pozytywny dowód na istnienie jednego rodzaju ciemnej materii. Jeśli te supermasywne czarne dziury powstały w wyniku zapadnięcia się chmury gazu, być może dodatkowe wymagane promieniowanie musiałoby pochodzić z nieznanej fizyki ciemnego sektora”.
Odniesienie: „Bezpośredni zapadnięcie się supermasywnych czarnych dziur w wyniku rozpadu cząstek reliktowych” autorstwa Yifana Lu, Zachary’ego SC Pickera i Alexandra Kusenko, 27 sierpnia 2024 r., Listy z przeglądu fizycznego.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.091001
