Η σκοτεινή ύλη θα μπορούσε να είχε βοηθήσει στη δημιουργία υπερμεγέθων μαύρων τρυπών στο πρώιμο σύμπαν
- Details
- Category: Universe - Σύμπαν
- Created: 02 September 2024
- Hits: 50
Μια εικόνα από το τηλεσκόπιο Event Horizon δείχνει
γραμμές πόλωσης, μια υπογραφή μαγνητικών πεδίων, γύρω από τη σκιά της κεντρικής υπερμεγέθους μαύρης τρύπας του Γαλαξία μας. Οι αστρονόμοι θέλουν να μάθουν πως μεγάλες μαύρες τρύπες όπως αυτή σχηματίστηκαν νωρίς στην κοσμική ιστορία. ( EHT Collaboration)
Η σκοτεινή ύλη θα μπορούσε να έχει οδηγήσει την ανάπτυξη των πρώιμων υπερμεγέθων μαύρων τρυπών
Το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb (JWST) συνεχίζει να βρίσκει υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες (SMBH) στο πρώιμο Σύμπαν. Βρίσκονται σε ενεργούς γαλαξιακούς πυρήνες που παρατηρήθηκαν μόνο 500.000 χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Αυτό συνέβη πολύ πριν οι αστρονόμοι σκεφτούν ότι θα μπορούσαν να υπάρχουν. Τι συμβαίνει;
Οι τεράστιες μαύρες τρύπες όπως αυτές στην καρδιά των γαλαξιών χρειάζονται πολύ χρόνο για να γίνουν τόσο ογκώδεις. Θα μπορούσαν να ξεκινήσουν ως μικρότερα που καταβροχθίζουν κοντινά αστέρια και αέρια, ή μπορούν να αναπτυχθούν συγχωνεύοντας με άλλες υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες. Αυτό απαιτεί συνήθως δισεκατομμύρια χρόνια και πολύ υλικό για να δημιουργηθεί κάτι τόσο τεράστιο όσο η ηλιακή μάζα των τεσσάρων εκατομμυρίων στην καρδιά του Γαλαξία μας.
Μια εικόνα του τηλεσκοπίου James Webb δείχνει το κβάζαρ J0148 κυκλωμένο με κόκκινο χρώμα. Δύο ένθετα δείχνουν, στην κορυφή, την κεντρική υπερμεγέθη μαύρη τρύπα και στο κάτω μέρος, την αστρική εκπομπή από τον γαλαξία-ξενιστή. Μια εικόνα του τηλεσκοπίου James Webb δείχνει το κβάζαρ J0148 κυκλωμένο με κόκκινο χρώμα. Δύο ένθετα δείχνουν, στην κορυφή, την κεντρική υπερμεγέθη μαύρη τρύπα και στο κάτω μέρος, την αστρική εκπομπή από τον γαλαξία-ξενιστή.
Το JWST εντόπισε πολλά SMBH που φαίνονται ήδη «παλιά» και ογκώδη λιγότερο από ένα δισεκατομμύριο χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Δεν πρόκειται για μια παρατήρηση - είναι πραγματικά εκεί.
«Πόσο εκπληκτικό ήταν να βρούμε μια υπερμεγέθη μαύρη τρύπα με ένα δισεκατομμύριο ηλιακής μάζας όταν το ίδιο το σύμπαν είναι μόλις μισό δισεκατομμύριο ετών», δήλωσε ο αστροφυσικός Alexander Kusenko, καθηγητής φυσικής και αστρονομίας στο UCLA. «Είναι σαν να βρίσκεις ένα σύγχρονο αυτοκίνητο ανάμεσα σε οστά δεινοσαύρων και να αναρωτιέσαι ποιος κατασκεύασε αυτό το αυτοκίνητο στους προϊστορικούς χρόνους».
Κατασκευάζοντας υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες στην αρχαιότητα
Λοιπόν, τι έχτισε το SMBH τόσο νωρίς στην κοσμική ιστορία; Μια προφανής διαδικασία είναι ο θάνατος των πρώτων αστέρων του Πληθυσμού ΙΙΙ που άρχισαν να σχηματίζονται μόλις το νήπιο Σύμπαν ψύχθηκε αρκετά ώστε να συνενωθούν. Αυτά ήταν ογκώδη, φτωχά σε μέταλλα (που σημαίνει ότι δεν είχαν στοιχεία βαρύτερα από το ήλιο) και βραχύβια. Όταν πέθαναν ως σουπερνόβα, σχημάτισαν μαύρες τρύπες αστρικής μάζας. Είναι πιθανό αυτά τα πρώτα να συγχωνεύτηκαν και να έγιναν μεγαλύτερα.
Μια άλλη πρόταση είναι η λεγόμενη «βαροθερμική» κατάρρευση φωτοστέφανων σκοτεινής ύλης που αλληλεπιδρούν με τον ίδιο τρόπο. Αυτό ουσιαστικά σημαίνει αρνητική μεταφορά θερμότητας μέσα σε ένα σύστημα. Αυτό μπορεί να οδηγήσει στην κατάρρευση μιας μαύρης τρύπας και από εκεί θα μπορούσε να έχει μεγαλώσει.
Οι αστρονόμοι έχουν επίσης εξετάσει τη συμμετοχή αρχέγονων μαύρων τρυπών που δημιουργήθηκαν τις στιγμές μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Αυτές οι θεωρητικές μαύρες τρύπες χαμηλής μάζας θα μπορούσαν να έχουν σχηματιστεί κάτω από ειδικές συνθήκες όταν πυκνές περιοχές του διαστήματος κατέρρευσαν γρήγορα. Το πώς σχηματίστηκε το SMBH από αρχέγονες μαύρες τρύπες δεν είναι κατανοητό αυτή τη στιγμή. Λοιπόν, υπάρχει άλλη θεωρία σχηματισμού;
Οι αρχέγονες μαύρες τρύπες, αν υπάρχουν, θα μπορούσαν να έχουν σχηματιστεί από την κατάρρευση υπερπυκνών περιοχών στο πολύ πρώιμο σύμπαν. Ορισμένες θεωρίες προτείνουν ότι έπαιξαν ρόλο στο σχηματισμό υπερμεγέθων μαύρων τρυπών.
Credit M. Kawasaki, TT Yanagida. Οι αρχέγονες μαύρες τρύπες, αν υπάρχουν, θα μπορούσαν να έχουν σχηματιστεί από την κατάρρευση υπερπυκνών περιοχών στο πολύ πρώιμο σύμπαν. Ορισμένες θεωρίες προτείνουν ότι έπαιξαν ρόλο στο σχηματισμό υπερμεγέθων μαύρων τρυπών. Credit M. Kawasaki, TT Yanagida.
Εδώ μπαίνει στο παιχνίδι η σκοτεινή ύλη.
Ο Kusenko και οι συνάδελφοί του έσκαψαν την ιδέα της κατάρρευσης που επηρεάζεται από τη σκοτεινή ύλη. Ανακάλυψαν ότι εάν η σκοτεινή ύλη διασπάται, παίζει ρόλο στο «μαζί» ενός νέφους αερίου υδρογόνου. Δεν θα κατακερματιζόταν (όπως κάνουν συνήθως τα σύννεφα).
Τελικά, αυτό θα μπορούσε να οδηγήσει στον σχετικά γρήγορο σχηματισμό ενός SMBH. Δεδομένου ότι υπάρχουν στοιχεία για την επιρροή της σκοτεινής ύλης στο πρώιμο Σύμπαν, αυτό θα μπορούσε να εξηγήσει τις μαύρες τρύπες των τεράτων στις πρώτες εποχές της κοσμικής ιστορίας.
Από το σύννεφο στον σχηματισμό μαύρης τρύπας μέσω της σκοτεινής ύλης;
Φυσικά, οι συνθήκες πρέπει να είναι κατάλληλες για να συμβεί αυτό. «Το πόσο γρήγορα ψύχεται το αέριο έχει να κάνει πολύ με την ποσότητα του μοριακού υδρογόνου», είπε ο διδακτορικός φοιτητής Yifan Lu, ο πρώτος συγγραφέας σε μια εργασία που περιγράφει την ιδέα της σκοτεινής ύλης.
«Τα άτομα υδρογόνου που συνδέονται μεταξύ τους σε ένα μόριο διαχέουν ενέργεια όταν συναντούν ένα χαλαρό άτομο υδρογόνου. Τα μόρια του υδρογόνου γίνονται ψυκτικοί παράγοντες καθώς απορροφούν τη θερμική ενέργεια και την εκπέμπουν μακριά. Τα νέφη υδρογόνου στο πρώιμο σύμπαν είχαν πάρα πολύ μοριακό υδρογόνο και το αέριο ψύχθηκε γρήγορα και σχημάτισε μικρά φωτοστέφανα αντί για μεγάλα σύννεφα».
Ορισμένη ακτινοβολία μπορεί να καταστρέψει το μοριακό υδρογόνο. Αυτό δημιουργεί συνθήκες που αποτρέπουν τον κατακερματισμό του cloud. Η ακτινοβολία θα μπορούσε να είναι από κάπου, και ο Lu και άλλοι προτείνουν μια ενδιαφέρουσα ιδέα στο χαρτί τους.
Δηλώνουν ότι υπάρχει ένας πιθανός «χώρος παραμέτρων» όπου σωματίδια αποσύνθεσης λειψάνων θα μπορούσαν να εκπέμπουν ακτινοβολία που θα πυροδοτούσε την κατάρρευση. Μεταξύ άλλων, προτείνουν ένα σωματίδιο σκοτεινής ύλης «όπως άξιον» που διασπάται και προκαλεί την τελική συνένωση ενός νέφους υδρογόνου σε ένα SMBH.
Mysteries of Dark Matter και το SMBH χρειάζονται απαντήσεις
Η ίδια η σκοτεινή ύλη είναι ένα μυστηριώδες «πράγμα» που αποτελεί ένα πολύ μεγάλο μέρος των «υλικών» του Σύμπαντος. Γνωρίζουμε γι 'αυτό από τις βαρυτικές του επιδράσεις στα αντικείμενα που μπορούμε να δούμε (που ονομάζεται βαρυονική ύλη).
Ωστόσο, η μορφή που παίρνει η σκοτεινή ύλη δεν είναι καθόλου κατανοητή. Θα μπορούσε να είναι φτιαγμένο από σωματίδια που αργά αποσυντίθενται ή θα μπορούσε να είναι κατασκευασμένο από περισσότερα από ένα είδη σωματιδίων. Μερικά θα μπορούσαν να είναι σταθερά, άλλα θα μπορούσαν να αποσυντεθούν σε πρώιμους χρόνους.
Σε κάθε περίπτωση, το προϊόν της διάσπασης θα μπορούσε να είναι ακτινοβολία με τη μορφή φωτονίων, τα οποία διασπούν το μοριακό υδρογόνο και εμποδίζουν τα σύννεφα υδρογόνου να ψύχονται πολύ γρήγορα. Ακόμη και η πολύ ήπια διάσπαση της σκοτεινής ύλης απέδωσε αρκετή ακτινοβολία για να αποτρέψει την ψύξη, σχηματίζοντας μεγάλα σύννεφα και, τελικά, υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες.
Φυσικά, αυτή η ιδέα δεν έχει αποδειχθεί. Ωστόσο, η ομάδα επισημαίνει ότι η διάσπαση τέτοιων σωματιδίων σκοτεινής ύλης μπορεί να εκπέμπει φως τόσο στο οπτικό όσο και στο υπεριώδες φάσμα. Αυτό μπορεί να εξηγήσει τις πολύ ακριβείς μετρήσεις του «κοσμικού οπτικού φόντου» (COB) που βλέπει το όργανο LORRI New Horizons. Το COB είναι ένα ορατό φωτεινό φόντο περίπου ανάλογο με το κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων.
Σκεφτείτε το ως το άθροισμα όλων των εκπομπών από αντικείμενα πέρα από τον Γαλαξία μας. Η παρουσία του επιτρέπει στους αστρονόμους να διαγνώσουν και να κατανοήσουν τις εκπομπές από όλα τα αστροφυσικά αντικείμενα. Υπάρχουν ακόμα πολλά που πρέπει να μελετήσουμε και να κατανοήσουμε σχετικά με αυτά τα πιθανά άξιον (αν αποτελούν τη σκοτεινή ύλη).
