Как са успели свръхмасивните черни дупки да станат големи толкова бързо?

Отговорът може да е радиацията на тъмната материя

Ваня Милева Последна промяна на 27 август 2024 в 00:00 6035 0

Свръхмасивна черна дупка Стрелец A* в поляризирана светлина

Кредит EHT Collaboration
Скорошни открития показват, че тъмната материя е изиграла решаваща роля за образуването на свръхмасивни черни дупки в ранните етапи на Вселената, като е предотвратила прекалено бързото охлаждане на водородния газ, като по този начин е позволила на тези масивни облаци да колапсират в черни дупки, а не в звезди. Изглед на свръхмасивната черна дупка Стрелец A* в центъра на Млечния път в поляризирана светлина.

Радиацията от тъмната материя може в ранната вселена да е поддържала водородния газ достатъчно горещ, за да се кондензира в черни дупки.

  • Свръхмасивните черни дупки обикновено се формират за милиарди години. Но космическият телескоп „Джеймс Уеб“ ги открива скоро след Големия взрив - преди да са имали време да се формират.
  • Астрофизици от Калифорнийския университет са открили, че ако тъмната материя се разпадне, излъчваните от нея фотони поддържат водородния газ достатъчно горещ, за да може гравитацията да го събере в гигантски облаци и в крайна сметка да го сгъсти в свръхмасивна черна дупка.
  • Освен че обяснява съществуването на много ранни свръхмасивни черни дупки, откритието подкрепя съществуването на вид тъмна материя, способна да се разпада на частици като фотони.

Образуване на свръхмасивни черни дупки

За формирането на свръхмасивни черни дупки, като тази в центъра на нашата галактика Млечен път, е необходимо много време. Обикновено за раждането на черна дупка е необходимо гигантска звезда с масата на поне 50 от нашите слънца да изгори - процес, който може да отнеме милиард години - и нейното ядро да се свие в себе си.

Дори и така, със своите само около 10 слънчеви маси, получената черна дупка е далеч от черната дупка Стрелец А* с 4 милиона слънчеви маси, открита в нашата галактика Млечен път, или от свръхмасивните черни дупки с милиарди слънчеви маси, открити в други галактики. Такива гигантски черни дупки могат да се образуват от по-малки черни дупки чрез натрупване на газ и звезди и чрез сливане с други черни дупки, за което са нужни милиарди години.

Загадките, разкрити от космическия телескоп "Джеймс Уеб

Защо тогава космическият телескоп "Джеймс Уеб“ открива свръхмасивни черни дупки близо до самото начало на времето, милиарди години преди да е възможно те да се образуват? Астрофизиците от Калифорнийския университет в Лос Анджелис (UCLA) имат отговор, който е толкова загадъчен, колкото и самите черни дупки: Тъмната материя не е позволила на водорода да се охлажда достатъчно дълго, за да може гравитацията да го сгъсти в облаци, достатъчно големи и плътни, за да се превърнат в черни дупки вместо в звезди. Откритието е публикувано на 27 август в списание Physical Review Letters.

"Доста изненадващо бе откриването на свръхмасивна черна дупка с маса от милиард слънчеви лъчи, когато самата Вселена е само на половин милиард години“, коментира водещият автор Александър Кусенко (Alexander Kusenko), професор по физика и астрономия в Калифорнийския университет. "Това е все едно да намериш съвременна кола сред костите на динозавър и да се чудиш кой е построил тази кола в праисторическите времена.“

Квазар Webb J0148Снимка от телескопа "Джеймс Уеб" показва квазара J0148, ограден в червено. Две вмъкнати изображения показват в горната част централната черна дупка, а в долната - звездното излъчване от галактиката домакин. Кредит: MIT/NASA

Проблемът с охлаждането на газа в космоса

Някои астрофизици изказват предположението, че голям облак газ може да се свие и да създаде свръхмасивна черна дупка директно, заобикаляйки дългата история на изгаряне на звезди, акреция и сливания. Но в това има уловка: Гравитацията наистина може да обединява газ в облаци, но не и в един голям облак. Вместо това тя събира части от газа в малки облаци, които се носят близо един до друг, но не образуват черна дупка.

Причината е, че газовият облак се охлажда твърде бързо. Докато газът е горещ, неговото налягане може да противодейства на гравитацията. Ако обаче газът изстине, налягането намалява и гравитацията може да надделее в много малки области, които се свиват в плътни обекти, преди гравитацията да има възможност да изтегли целия облак в една черна дупка.

"Колко бързо се охлажда газът, има много общо с количеството на молекулярния водород“, посочва първият автор и докторант Ифан Лу (Yifan Lu). "Водородните атоми, свързани заедно в молекула, разсейват енергия, когато се сблъскат със свободен водороден атом. Молекулите на водорода се превръщат в охлаждащи агенти, тъй като поглъщат топлинна енергия и я излъчват. Във водородните облаци в ранната Вселена е имало твърде много молекулярен водород, а газът се е охлаждал бързо и е оразувал малки ореоли вместо големи облаци.“

Лу и постдокторантът Закари Пикър (Zachary Picker) написват код, за да изчислят всички възможни процеси на този сценарий, и откриват, че допълнителната радиация може да нагрее газа и да разпадне водородните молекули, променяйки начина на охлаждане на газа.

"Ако добавите радиация в определен енергиен диапазон, тя разрушава молекулярния водород и създава условия, които предотвратяват фрагментацията на големите облаци“, заявява Лу.

Ролята на тъмната материя при образуването на черните дупки

Откъде би могло да дойде радиацията?

Само много малка част от материята във Вселената е тази, която изгражда нашите тела, планетата ни, звездите и всичко останало, което можем да наблюдаваме. По-голямата част от материята, открита чрез нейните гравитационни ефекти върху звездни обекти и чрез огъване на светлинни лъчи от далечни източници, е направена от някакви непознати частици, които учените все още не са идентифицирали.

Следователно формите и свойствата на тъмната материя са загадка, която предстои да бъде разгадана. Макар да не знаем какво представлява тъмната материя, теоретиците на елементарните частици отдавна предполагат, че тя може да съдържа нестабилни частици, които могат да се разпаднат на фотони - частиците на светлината. Включването на такава тъмна материя в симулациите може да осигури радиацията, необходима на газа да остане в голям облак, докато се свие в черна дупка.

Тъмната материя може да бъде направена от частици, които бавно се разпадат, а може да е съставена от повече от един вид частици: някои стабилни, а други, които се разпадат на ранен етап. И в двата случая продуктът на разпадането може да бъде радиация под формата на фотони, които разграждат молекулярния водород и предотвратяват твърде бързото охлаждане на водородните облаци. Дори много лекият разпад на тъмната материя дава достатъчно радиация, за да предотврати охлаждането, и да стимулира образуването на големи облаци и в крайна сметка - на свръхмасивни черни дупки.

"Това може да е обяснението защо свръхмасивните черни дупки се откриват много рано“, коментира Пикър. "Това би могло да бъде положително доказателство за един вид тъмна материя. Ако тези свръхмасивни черни дупки се образуват от колапса на газов облак, може би необходимата допълнителна радиация би могло да дойде от неизвестната физика на тъмната област.

Справка: “Direct Collapse Supermassive Black Holes from Relic Particle Decay” by Yifan Lu, Zachary S. C. Picker and Alexander Kusenko, 27 August 2024, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.091001

Източник: How Did Black Holes Get So Big, So Fast? The Answer Lies in the Dark, Holly Ober, UCLA

Виж още за:
Най-важното
Всички новини

Още от Космос

Коментари

За писането на коментар е необходима регистрация.
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

Няма коментари към тази новина !