Πώς σχηματίστηκαν οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες; Τα φωτοστέφανα της σκοτεινής ύλης που καταρρέουν μπορούν να τα εξηγήσουν
Δεν καταλαβαίνουμε πώς σχηματίστηκαν τόσο γρήγορα οι πρώτες υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες στο νεαρό σύμπαν. Έτσι, μια ομάδα φυσικών προτείνει μια ριζοσπαστική ιδέα. Αντί να σχηματιστούν μαύρες τρύπες μέσω της συνηθισμένης διαδρομής θανάτου μιας μαζικής εκκίνησης, αντίθετα γιγάντια φωτοστέφανα της σκοτεινής ύλης κατέρρευσαν άμεσα, σχηματίζοντας τους σπόρους των πρώτων μεγάλων μαύρων τρυπών.
Εμφανίζονται υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες (SMBH). νωρίς στην ιστορία του σύμπαντος , μόλις μερικές εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Αυτή η γρήγορη εμφάνιση αποτελεί πρόκληση για τα συμβατικά μοντέλα γέννησης και ανάπτυξης SMBH, επειδή δεν φαίνεται ότι μπορεί να υπάρχει αρκετός χρόνος για να μεγαλώσουν τόσο γρήγορα.
«Οι φυσικοί προβληματίζονται γιατί τα SMBH στο πρώιμο σύμπαν, τα οποία βρίσκονται στις κεντρικές περιοχές των φωτοστέφανων της σκοτεινής ύλης, αναπτύσσονται τόσο μαζικά σε σύντομο χρονικό διάστημα», είπε. Χάι-Μπο Γιου , αναπληρωτής καθηγητής του φυσική και αστρονομία στο UC Riverside, ο οποίος ηγήθηκε του α μελέτη του σχηματισμού SMBH που εμφανίστηκε στο Astrophysical Journal Letters. «Είναι σαν ένα παιδί 5 ετών που ζυγίζει, ας πούμε, 200 κιλά. Ένα τέτοιο παιδί θα μας εξέπληττε όλους γιατί γνωρίζουμε το τυπικό βάρος ενός νεογέννητου μωρού και πόσο γρήγορα μπορεί να μεγαλώσει αυτό το μωρό. Όσον αφορά τις μαύρες τρύπες, οι φυσικοί έχουν γενικές προσδοκίες για τη μάζα μιας μαύρης τρύπας σπόρων και τον ρυθμό ανάπτυξής της. Η παρουσία των SMBH υποδηλώνει ότι αυτές οι γενικές προσδοκίες έχουν παραβιαστεί, κάτι που απαιτεί νέα γνώση. Και αυτό είναι συναρπαστικό.”
Αντί λοιπόν να προσπαθούμε να σχηματίσουμε μαύρες τρύπες από τους θανάτους τεράστιων αστεριών, στη συνέχεια να προσπαθούμε να τις πετάξουμε συσσωρεύουν αρκετό υλικό για να εξελιχθούν σε κατάσταση SMBH, ίσως κάτι άλλο - τα φωτοστέφανα της σκοτεινής ύλης - τα σχημάτισε.
«Η εργασία μας παρέχει μια εναλλακτική εξήγηση: ένα φωτοστέφανο σκοτεινής ύλης που αλληλεπιδρά με τον εαυτό του βιώνει βαροθερμική αστάθεια και η κεντρική του περιοχή καταρρέει σε μια μαύρη τρύπα σπόρων», είπε ο Yu.
υπάρχει ήδη άφθονη σκοτεινή ύλη στο πρώιμο σύμπαν. Αντιπροσωπεύει πάνω από το 80% του συνόλου της ύλης στο σύμπαν και οι πρώτοι γαλαξίες αναπτύχθηκαν μέσα σε πολύ μεγαλύτερες συστάδες σκοτεινής ύλης ή άλως. Αλλά για να καταρρεύσει η σκοτεινή ύλη αρκετά ώστε να σχηματίσει μαύρες τρύπες, πρέπει να αλληλεπιδράσει με τον εαυτό της. Με αυτόν τον τρόπο, μπορεί να χάσει όλη την κινητική ενέργεια που αποκτάται καθώς καταρρέει, επιτρέποντάς του να φτάσει σε αρκετά υψηλές πυκνότητες ώστε να πυροδοτήσει το σχηματισμό μιας μαύρης τρύπας.
Δεδομένου ότι αυτή η μαύρη τρύπα θα γεννιόταν από πολύ περισσότερο υλικό από ένα αστέρι, θα ήταν ήδη σε καλό δρόμο για να γίνει υπερμεγέθης.
«Το πλεονέκτημα του σεναρίου μας είναι ότι η μάζα της μαύρης τρύπας των σπόρων μπορεί να είναι υψηλή αφού παράγεται από την κατάρρευση ενός φωτοστέφανου της σκοτεινής ύλης», είπε ο Yu. «Έτσι, μπορεί να εξελιχθεί σε μια υπερμεγέθη μαύρη τρύπα σε σχετικά σύντομο χρονικό διάστημα».
Σε αυτό το μοντέλο, τα φωτοστέφανα της σκοτεινής ύλης δεν κάνουν όλη τη δουλειά. Τα βαρυόνια - η κανονική ύλη - βοηθούν επίσης.
«Πρώτον, δείχνουμε ότι η παρουσία βαρυονίων, όπως το αέριο και τα αστέρια, μπορεί να επιταχύνει σημαντικά την έναρξη της βαροθερμικής κατάρρευσης ενός φωτοστέφανου και μια μαύρη τρύπα σπόρων θα μπορούσε να δημιουργηθεί αρκετά νωρίς», δήλωσε ο Wei-Xiang Feng, μεταπτυχιακός φοιτητής του Yu. και συν-συγγραφέας στο χαρτί. «Δεύτερον, δείχνουμε ότι οι αυτο-αλληλεπιδράσεις μπορούν να προκαλέσουν ιξώδες που διαλύει το υπόλοιπο της γωνιακής ορμής του κεντρικού φωτοστέφανου. Τρίτον, αναπτύσσουμε μια μέθοδο για την εξέταση της συνθήκης για την ενεργοποίηση της γενικής σχετικιστικής αστάθειας του καταρρευμένου φωτοστέφανου, η οποία διασφαλίζει ότι θα μπορούσε να σχηματιστεί μια μαύρη τρύπα σπόρων εάν ικανοποιηθεί η συνθήκη».
«Σε πολλούς γαλαξίες, τα αστέρια και το αέριο κυριαρχούν στις κεντρικές τους περιοχές», είπε ο Yu. «Έτσι, είναι φυσικό να αναρωτηθούμε πώς η παρουσία αυτής της βαρυονικής ύλης επηρεάζει τη διαδικασία κατάρρευσης. Δείχνουμε ότι θα επιταχύνει την έναρξη της κατάρρευσης. Αυτό το χαρακτηριστικό είναι ακριβώς αυτό που χρειαζόμαστε για να εξηγήσουμε την προέλευση των υπερμεγέθων μαύρων τρυπών στο πρώιμο σύμπαν. Οι αυτό-αλληλεπιδράσεις οδηγούν επίσης σε ιξώδες που μπορεί να διαλύσει τη γωνιακή ορμή του κεντρικού φωτοστέφανου και να βοηθήσει περαιτέρω τη διαδικασία κατάρρευσης».