Nowe badania sugerują, że supermasywne czarne dziury, które istniały zanim kosmos powstał 1 miliard lat, mogły powstać przy pomocy ciemnej materii, najbardziej tajemniczej substancji we wszechświecie.
Od czasu Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST) po raz pierwszy zaczął przesyłać dane na Ziemię latem 2022 r., przedstawiając naukowcom ciekawy problem, odkrywając supermasywne czarne dziury już 500 milionów lat po Wielki Wybuch. Stanowi to jednak problem, ponieważ procesy łączenia i zasilania, które pozwalają czarnym dziurom osiągać masy milionów miliardów razy większe niż masa słońce powinien zająć przynajmniej 1 miliard lat, aby osiągnąć skutek.
Jednym z sugerowanych mechanizmów wczesnego wzrostu czarnych dziur jest bezpośrednie zapadanie się ogromnych obłoków gazu i pyłu, prowadzące do natychmiastowego powstania zalążkowej czarnej dziury, bez czasu potrzebnego na narodziny, przeżycie, a następnie śmierć masywnej gwiazdy.
Jednak proces ten nadal wymagałby świecenia gwiazd na tych obłokach materii i dostarczania im energii – ale jest to rzadkie. Zbyt rzadkie, aby wyjaśnić obfitość wczesnych supermasywnych czarnych dziur obserwowanych przez JWST. To znaczy, chyba że istnieje inne źródło energii, które wspomoże ten proces.
„Nasze badanie sugeruje, że rozpadająca się ciemna materia może głęboko zmienić ewolucję pierwszych gwiazd i galaktyk, co będzie miało rozległe skutki w całym wszechświecie” – kierownik zespołu Yash Aggarwal z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Riverside, – napisano w oświadczeniu. „Teraz, gdy JWST odkrywa coraz więcej supermasywnych czarnych dziur we wczesnym Wszechświecie, mechanizm ten może pomóc w wypełnieniu luki między teorią a obserwacjami”.
Czy ciemna materia rozpada się?
Ciemna materia to tajemnicza substancja, która stanowi 85% materii w kosmosie. Pozostaje tak ciekawy, ponieważ nie oddziałuje ze światłem (a dokładniej z promieniowaniem elektromagnetycznym). To nie tylko czyni ją faktycznie niewidzialną, ale także mówi naukowcom, że ciemna materia nie może składać się z elektronów, neutronów i protonów, czyli cząstek tworzących atomy, z których składają się gwiazdy, planety, księżyce, nasze ciała i wszystko, co widzimy wokół nas.
To pobudziło poszukiwania cząstek wykraczających poza Model Standardowy fizyki cząstek elementarnych. Te hipotetyczne cząstki mają szereg mas i możliwych właściwości. Obejmuje to takie, które przechodzą przez siebie jak duchy, inne, które oddziałują ze sobą, wymieniając energię, i inne, które rozpadają się na mniejsze cząstki, uwalniając przy tym niewielką ilość energii.
Aggarwal i kolega z UCR, Flip Tanedo, uważają, że do „doładowania” pierwotnych obłoków gazu wystarczyłaby energia odpowiadająca miliardowej bilionowej energii pojedynczej baterii AA, którą mógłby zapewnić rozpad ciemnej materii.
„Pierwsze galaktyki to w zasadzie kule dziewiczego gazowego wodoru, których skład chemiczny jest niezwykle wrażliwy na wstrzykiwanie energii w skali atomowej” – powiedział Tanedo. „Są to właściwości, których oczekujemy od detektora ciemnej materii – sygnaturą tych„ detektorów ”mogą być supermasywne czarne dziury, które widzimy dzisiaj”.
Prace zespołu pozwoliły im także określić hipotetyczny zakres mas od 24 do 27 elektronowoltów dla cząstek ciemnej materii zdolnych do inicjowania tworzenia się czarnych dziur zapadających się bezpośrednio, co mogłoby dać przewagę wzrostowi supermasywnych czarnych dziur. Wnioski zespołu wynikają z serii bardzo szczęśliwych zbiegów okoliczności, które pomogły im zebrać odpowiednią mieszankę fizyków cząstek elementarnych, kosmologów i astrofizyków, aby sformułować teorię kosmicznego zbiegu okoliczności.
„Pokazaliśmy, że odpowiednie środowisko ciemnej materii może znacznie zwiększyć prawdopodobieństwo bezpośredniego zapadnięcia się czarnych dziur” – powiedział Tanedo. „W ten sam sposób wsparcie dla pracy interdyscyplinarnej pomogło w umożliwieniu „zbiegu okoliczności” prowadzącego do tej pracy”.
Wyniki badań zespołu opublikowano we wtorek (14 kwietnia) w czasopiśmie „ Journal of Cosmology i Astrofizyki Cząstek.
