Wie wurden Schwarze Löcher so groß und schnell? Die Antwort liegt im Dunkeln

Die Strahlung der Dunklen Materie im frühen Universum könnte dazu beigetragen haben, dass Wasserstoffgas heiß genug blieb, um zu Schwarzen Löchern zu kondensieren.

• Die Entstehung supermassereicher Schwarzer Löcher dauert normalerweise Milliarden von Jahren. Aber James Webb-Weltraumteleskop Werden sie nicht lange danach gefunden? Urknall – Bevor sie genug Zeit hatten, sich zu formen.
• Universität von Kalifornien Astrophysiker haben herausgefunden, dass beim Zerfall dunkler Materie die von ihr emittierten Photonen Wasserstoffgas so heiß halten, dass die Schwerkraft es zu riesigen Wolken sammeln und schließlich zu einer massiven Masse verdichten kann. Schwarzes Loch.
• Diese Entdeckung erklärt nicht nur die Existenz sehr früher supermassereicher Schwarzer Löcher, sondern stützt auch die Existenz einer Art dunkler Materie, die in Teilchen wie Photonen zerfallen kann.

Entstehung supermassereicher Schwarzer Löcher

Es dauert lange, bis sich supermassive Schwarze Löcher wie das im Zentrum unserer Galaxie bilden. Milchstraße Normalerweise erfordert die Geburt eines Schwarzen Lochs, dass ein riesiger Stern mit einer Masse von mindestens 50 Sonnenmassen ausbrennt – ein Prozess, der eine Milliarde Jahre dauern kann – und sein Kern in sich zusammenfällt.

Allerdings ist das resultierende Schwarze Loch, das nur etwa das Zehnfache der Sonnenmasse hat, weit entfernt von dem Schwarzen Loch Sagittarius A* mit einer Sonnenmasse von 4 Millionen Sonnenmassen, das in unserer Milchstraße zu finden ist . Oder supermassereiche Schwarze Löcher mit einer Masse von einer Milliarde Sonnenmassen, die in anderen Galaxien existieren. Solche riesigen Schwarzen Löcher können aus kleineren Schwarzen Löchern durch die Ansammlung von Gas und Sternen sowie durch die Verschmelzung mit anderen Schwarzen Löchern entstehen, was Milliarden von Jahren dauert.

Geheimnisse, die das James Webb-Weltraumteleskop enthüllt

Aber warum entdeckt das James-Webb-Weltraumteleskop dann supermassive Schwarze Löcher zu Beginn der Zeit selbst, Tausende von Jahren bevor sie sich hätten bilden können? Astrophysiker der University of California in Los Angeles haben eine Antwort gefunden, die so mysteriös ist wie die Schwarzen Löcher selbst: Dunkle Materie verhinderte, dass der Wasserstoff lange genug abkühlte, damit die Schwerkraft ihn zu Wolken verdichten konnte, die groß und dicht genug waren, um sich in Schwarze Löcher statt in Sterne zu verwandeln . Die Ergebnisse wurden am 27. August in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht. Materialbewertungsschreiben.

„Es war wirklich erstaunlich, ein supermassereiches Schwarzes Loch mit einer Masse von einer Milliarde Sonnenmassen zu finden, obwohl das Universum selbst erst eine halbe Milliarde Jahre alt ist“, sagte Alexander Kosenko, Professor für Physik und Astronomie an der University of California in Los Angeles und Hauptautor der Studie: „Es ist, als würde man zwischen Dinosaurierknochen ein modernes Auto finden und sich fragen, wer dieses Auto in prähistorischen Zeiten gebaut hat.“

Herausforderung der Gaskühlung im Weltraum

Einige Astrophysiker haben die Hypothese aufgestellt, dass eine riesige Gaswolke direkt kollabieren und ein supermassereiches Schwarzes Loch bilden könnte, ohne dass die lange Geschichte der Sternenverbrennung, -akkretion und -verschmelzung durchlaufen würde. Aber es gibt ein Problem: Die Schwerkraft zieht eine riesige Gaswolke zusammen, aber nicht zu einer einzigen riesigen Wolke. Stattdessen sammelt es Gaspartikel in kleinen Halos, die dicht beieinander schweben, aber kein Schwarzes Loch bilden.

Der Grund dafür ist, dass die Gaswolke sehr schnell abkühlt. Solange das Gas heiß ist, kann sein Druck der Schwerkraft widerstehen. Wenn das Gas jedoch abkühlt, sinkt der Druck und die Schwerkraft kann in vielen kleinen Regionen vorherrschen, die zu dichten Objekten zusammenfallen, bevor die Schwerkraft die Chance hat, die gesamte Wolke in ein einziges Schwarzes Loch zu ziehen.

„Die Geschwindigkeit der Abkühlung eines Gases hat viel mit der Menge an molekularem Wasserstoff zu tun“, sagte Erstautor und Doktorand Yifan Lu. „In einem Molekül zusammengebundene Wasserstoffatome geben Energie ab, wenn sie auf ein loses Wasserstoffatom treffen Mais„Wasserstoffmoleküle werden zu Kühlmitteln, weil sie Wärmeenergie absorbieren und abstrahlen. Wasserstoffwolken im frühen Universum enthielten viel molekularen Wasserstoff, und das Gas kühlte schnell ab und bildete kleine Halos anstelle großer Wolken.“

Lu und der Postdoktorand Zachary Baker schrieben Code zur Berechnung aller möglichen Prozesse für dieses Szenario und entdeckten, dass die zusätzliche Strahlung das Gas erhitzen und die Wasserstoffmoleküle trennen könnte, wodurch sich die Art und Weise verändert, wie das Gas abkühlt.

„Wenn man Strahlung in einem bestimmten Energiebereich hinzufügt, zerstört sie molekularen Wasserstoff und schafft Bedingungen, die das Aufbrechen großer Wolken verhindern“, fügte Lu hinzu.

Die Rolle der Dunklen Materie bei der Entstehung Schwarzer Löcher

Doch woher kommt die Strahlung?

Ein winziger Bruchteil der Materie im Universum ist die Art, aus der unser Körper, unser Planet, die Sterne und alles andere, was wir beobachten können, besteht. Tatsächlich besteht die überwiegende Mehrheit der Materie, die durch ihre Gravitationswirkung auf Sternkörper und durch die Ablenkung von Lichtstrahlen aus entfernten Quellen beobachtet werden kann, aus einigen neuen Teilchen, die Wissenschaftler noch nicht identifizieren konnten.

Die Formen und Eigenschaften der Dunklen Materie sind ein Rätsel, das noch gelöst werden muss. Obwohl wir nicht wissen, was dunkle Materie ist, haben Teilchenforscher schon lange angenommen, dass sie instabile Teilchen enthalten könnte, die in Photonen, die Lichtteilchen, zerfallen können. Die Einbeziehung dieser Dunklen Materie in die Simulation lieferte die Strahlung, die das Gas benötigt, um in einer großen Wolke zu überleben, wenn es in ein Schwarzes Loch kollabiert.

Dunkle Materie kann aus langsam zerfallenden Teilchen oder aus mehr als einem Teilchen bestehen KlassifizierenEinige sind stabil und andere zersetzen sich früh. In beiden Fällen kann das Zerfallsprodukt Strahlung in Form von Photonen sein, die molekularen Wasserstoff aufspalten und verhindern, dass die Wasserstoffwolken zu schnell abkühlen. Selbst ein sehr milder Zerfall dunkler Materie erzeugt genug Strahlung, um eine Abkühlung, die Bildung großer Wolken und schließlich supermassereicher Schwarzer Löcher zu verhindern.

„Dies könnte die Antwort darauf sein, warum supermassereiche Schwarze Löcher so früh entdeckt wurden“, sagte Becker. „Wenn Sie ein Optimist sind, können Sie dies auch als positiven Beweis für eine Art dunkler Materie lesen. Wenn diese supermassereichen Schwarzen Löcher entstanden sind.“ als Ergebnis des Zusammenbruchs einer Gaswolke, vielleicht sollten sie … Die zusätzliche Strahlung, die erforderlich wäre, würde von der unbekannten Physik des dunklen Sektors stammen.“

Referenz: „Direkter Kollaps supermassiver Schwarzer Löcher durch Zerfall von Restpartikeln“ von Yifan Lu, Zachary S.C. Baker und Alexander Kosenko, 27. August 2024, Materialbewertungsschreiben.
doi: 10.1103/PhysRevLett.133.091001