Undersøgelse peger på et frø sort hul produceret af en mørk stof halo kollaps

Supermassive sorte huller, eller SMBH'er, er sorte huller med masser, der er flere millioner til milliarder gange vores sols masse. Mælkevejen er vært for en SMBH med masse et par millioner gange solmassen. Overraskende nok, astrofysiske observationer viser, at SMBH'er allerede eksisterede, da universet var meget ung. For eksempel, en milliard solmasse sorte huller findes, da universet kun var 6% af sin nuværende alder, 13,7 milliarder år. Hvordan opstår disse SMBH'er i det tidlige univers?

Et hold ledet af en teoretisk fysiker ved University of California, Riverside, er kommet med en forklaring:Et massivt sort frøhul, som kollapset af en glorie af mørkt stof kunne frembringe.

Mørkt stof halo er haloen af ​​usynligt stof, der omgiver en galakse eller en klynge af galakser. Selvom mørkt stof aldrig er blevet opdaget i laboratorier, fysikere er fortsat sikre på, at dette mystiske stof, der udgør 85% af universets stof, eksisterer. Var det synlige stof i en galakse ikke indlejret i en mørk stof-glorie, denne sag ville flyve fra hinanden.

"Fysikere undrer sig over, hvorfor SMBH'er i det tidlige univers, som er placeret i de centrale områder af mørkt stof haloer, vokser så massivt på kort tid, " sagde Hai-Bo Yu, en lektor i fysik og astronomi ved UC Riverside, der ledede undersøgelsen, der vises i Astrofysiske tidsskriftsbreve . "Det er ligesom et 5-årigt barn, der vejer, sige, 200 pund. Sådan et barn ville forbløffe os alle, fordi vi kender den typiske vægt af en nyfødt baby, og hvor hurtigt denne baby kan vokse. Hvor det kommer til sorte huller, fysikere har generelle forventninger til massen af ​​et frø sort hul og dets væksthastighed. Tilstedeværelsen af ​​SMBH'er tyder på, at disse generelle forventninger er blevet overtrådt, kræver ny viden. Og det er spændende."

Et frøsort hul er et sort hul i dets indledende fase - beslægtet med babystadiet i et menneskes liv.

"Vi kan tænke på to grunde, " Yu tilføjede. "Det sorte hul - eller 'baby' - er enten meget mere massivt, eller det vokser meget hurtigere, end vi troede, eller begge. Spørgsmålet, der så opstår, er, hvad er de fysiske mekanismer til at producere et massivt nok sort hul eller opnå en hurtig nok væksthastighed?"

"Det tager tid for sorte huller at vokse sig massive ved at ophobe omgivende stof, " sagde medforfatter Yi-Ming Zhong, en postdoc-forsker ved Kavli Institute for Cosmological Physics ved University of Chicago. "Vores papir viser, at hvis mørkt stof har selv-interaktioner, så kan det gravotermiske kollaps af en glorie føre til et massivt nok sort hul. Dets væksthastighed ville være mere i overensstemmelse med de generelle forventninger."

I astrofysik, en populær mekanisme, der bruges til at forklare SMBH'er, er sammenbruddet af uberørt gas i protogalakser i det tidlige univers.

"Denne mekanisme, imidlertid, kan ikke producere et massivt nok sort frøhul til at rumme nyligt observerede SMBH'er - medmindre det sorte frøhul oplevede en ekstrem hurtig væksthastighed, " sagde Yu. "Vores arbejde giver en alternativ forklaring:En selv-interagerende mørk stof halo oplever gravotermisk ustabilitet og dens centrale region kollapser i et frø sort hul."

Forklaringen Yu og hans kolleger foreslår virker på følgende måde:

Mørkt stofpartikler klynger sig først sammen under påvirkning af tyngdekraften og danner en mørk stof-halo. Under udviklingen af ​​haloen, to konkurrerende kræfter - tyngdekraft og tryk - virker. Mens tyngdekraften trækker mørkt stof partikler indad, tryk presser dem udad. Hvis mørkt stof partikler ikke har nogen selv-interaktioner, derefter, som tyngdekraften trækker dem mod den centrale glorie, de bliver varmere, det er, de bevæger sig hurtigere, trykket øges effektivt, og de hopper tilbage. Imidlertid, i tilfælde af selv-interagerende mørkt stof, selvinteraktioner med mørkt stof kan transportere varmen fra de "varmere" partikler til de koldere i nærheden. Dette gør det svært for de mørke stofpartikler at hoppe tilbage.

Yu forklarede, at den centrale glorie, som ville kollapse i et sort hul, har vinkelmomentum, hvilket betyder at den roterer. Selvinteraktionerne kan inducere viskositet, eller "friktion, ", der spreder vinkelmomentet. Under sammenbrudsprocessen, den centrale glorie, som har en fast masse, krymper i radius og bremser i rotation på grund af viskositet. Mens udviklingen fortsætter, den centrale glorie falder til sidst sammen i en enestående tilstand:et sort frøhul. Dette frø kan vokse sig mere massivt ved at samle omkringliggende baryonisk - eller synligt - stof som gas og stjerner.

"Fordelen ved vores scenarie er, at massen af ​​frøet sorte hul kan være høj, da det er produceret ved kollapset af en mørk materie halo, " sagde Yu. "Således, det kan vokse til et supermassivt sort hul på relativt kort tid."

Det nye arbejde er nyt, idet forskerne identificerer vigtigheden af ​​baryoner - almindelige atomare og molekylære partikler - for at denne idé kan fungere.

"Først, vi viser tilstedeværelsen af ​​baryoner, såsom gas og stjerner, kan markant fremskynde begyndelsen af ​​det gravotermiske kollaps af en glorie, og et sort frøhul kunne dannes tidligt nok, " sagde Wei-Xiang Feng, Yus kandidatstuderende og en medforfatter på papiret. "Sekund, vi viser, at selv-interaktioner kan inducere viskositet, der spreder den vinkelmoment-rest af den centrale halo. Tredje, vi udvikler en metode til at undersøge betingelsen for at udløse generel relativistisk ustabilitet af den kollapsede glorie, hvilket sikrer, at der kan dannes et sort frøhul, hvis betingelsen er opfyldt."

I løbet af det seneste årti, Yu har udforsket nye forudsigelser af selvinteraktioner med mørkt stof og deres observationsmæssige konsekvenser. Hans arbejde har vist, at selv-interagerende mørkt stof kan give en god forklaring på den observerede bevægelse af stjerner og gas i galakser.

"I mange galakser, stjerner og gas dominerer deres centrale områder, sagde han. Altså, det er naturligt at spørge, hvordan tilstedeværelsen af ​​dette baryoniske stof påvirker sammenbrudsprocessen. Vi viser, at det vil fremskynde begyndelsen af ​​sammenbruddet. Denne funktion er præcis, hvad vi har brug for for at forklare oprindelsen af ​​supermassive sorte huller i det tidlige univers. Selv-interaktionerne fører også til viskositet, der kan sprede vinkelmomentum af den centrale glorie og yderligere hjælpe sammenbrudsprocessen."

Forskningspapiret har titlen "Seeding Supermassive Black Holes with Self-Interacting Dark Matter:A Unified Scenario with Baryons."