Etablering af oprindelsen til solmasser sorte huller og forbindelsen til mørkt stof

Hvad er sorte hullers oprindelse, og hvordan er det spørgsmål forbundet med et andet mysterium, arten af ​​mørkt stof? Mørkt stof omfatter størstedelen af ​​materie i universet, men dens natur er stadig ukendt.

Flere gravitationsbølgedetekteringer af fusionerende sorte huller er blevet identificeret inden for de sidste par år af Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), mindes med Nobelprisen i fysik 2017 til Kip Thorne, Barry Barish, og Rainer Weiss. En endegyldig bekræftelse af eksistensen af ​​sorte huller blev fejret med Nobelprisen i fysik i 2020 tildelt Andrea Ghez, Reinhard Genzel og Roger Penrose. Forståelsen af ​​sorte hullers oprindelse er således dukket op som et centralt problem inden for fysik.

Overraskende, LIGO har for nylig observeret en 2.6 solmasses sort hulskandidat (begivenhed GW190814, rapporteret i Astrofysiske journalbreve 896 (2020) 2, L44). Forudsat at dette er et sort hul, og ikke en usædvanlig massiv neutronstjerne, hvor kommer det fra?

Sorte huller i solmasse er særligt spændende, da de ikke forventes fra konventionel stjerneudviklingsastrofysik. Sådanne sorte huller kan opstå i det tidlige univers (oprindelige sorte huller) eller blive "transmuteret" fra eksisterende neutronstjerner. Nogle sorte huller kunne have dannet sig i det tidlige univers længe før stjernerne og galakserne blev dannet. Sådanne oprindelige sorte huller kan udgøre en del af eller hele mørkt stof. Hvis en neutronstjerne fanger et oprindeligt sort hul, det sorte hul forbruger neutronstjernen indefra, gør det til et sort hul med solmasse. Denne proces kan producere en befolkning af solmasser sorte huller, uanset hvor små de oprindelige sorte huller er. Andre former for mørkt stof kan akkumulere inde i en neutronstjerne, hvilket forårsager dets eventuelle kollaps i et sort hul med solmasse.

En ny undersøgelse, udgivet i Fysisk gennemgangsbreve , fremskynder en afgørende test for at undersøge oprindelsen af ​​solmasser sorte huller. Dette arbejde blev ledet af Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU) Fellow Volodymyr Takhistov og det internationale team omfattede George M. Fuller, Fremstående professor i fysik og direktør for Center for Astrofysik og Rumvidenskab ved University of California, San Diego, samt Alexander Kusenko, Professor i fysik og astronomi ved University of California, Los Angeles og en Kavli IPMU Visiting Senior Scientist.

Som undersøgelsen diskuterer (se fig. 1), "transmuterede" sorte huller af solmasse, der er tilbage fra neutronstjerner, der bliver fortæret af mørkt stof (enten bittesmå sorte huller eller partikelmørk stofakkumulering) bør følge massefordelingen af ​​de oprindelige værtsneutronstjerner. Da neutronstjernens massefordeling forventes at nå sit højdepunkt omkring 1,5 solmasser, det er usandsynligt, at tungere sorte huller i solmassen stammer fra mørkt stof, der interagerer med neutronstjerner. Dette tyder på, at begivenheder som kandidaten opdagede af LIGO, hvis de virkelig udgør sorte huller, kunne have oprindelig oprindelse fra det tidlige univers og dermed drastisk påvirke vores forståelse af astronomi. Fremtidige observationer vil bruge denne test til at undersøge og identificere sorte hullers oprindelse.

Tidligere (se Fuller, Kusenko, Takhistov Fysisk gennemgangsbreve 119 (2017) 6, 061101), Det samme internationale forskerteam demonstrerede også, at afbrydelse af neutronstjerner ved små sorte huller kan føre til en lang række observationssignaturer og kan hjælpe os med at forstå sådanne mangeårige astronomiske gåder som oprindelsen af ​​tunge grundstoffer (f.eks. guld og uran) og 511 keV gammastråleoverskud observeret fra midten af ​​vores galakse.