Kara delikler nasıl bu kadar büyük ve hızlı oldu? Cevap karanlıkta yatıyor

Erken evrendeki karanlık maddeden gelen radyasyon, hidrojen gazının kara deliklere yoğunlaşacak kadar sıcak kalmasına yardımcı olmuş olabilir.

• Süper kütleli kara deliklerin oluşması genellikle milyarlarca yıl alır. Ancak James Webb Uzay Teleskobu Çok geçmeden bulundular mı? Büyük patlama – Oluşmak için yeterli zamanları olmadan önce.
• Kaliforniya Üniversitesi Astrofizikçiler, eğer karanlık madde bozunursa, yaydığı fotonların hidrojen gazını yeterince sıcak tuttuğunu ve yerçekiminin onu dev bulutlar halinde toplayabildiğini ve sonunda onu büyük bir kütle halinde yoğunlaştırabildiğini keşfettiler. Kara delik.
• Bu keşif, çok erken dönem süper kütleli kara deliklerin varlığını açıklamanın yanı sıra, foton gibi parçacıklara bozunabilen bir tür karanlık maddenin varlığını da destekliyor.

Süper kütleli kara deliklerin oluşumu

Galaksimizin merkezindeki gibi süper kütleli kara deliklerin oluşması uzun zaman alıyor. Samanyolu Normalde bir kara deliğin doğuşu, kütlesi en az 50 güneş kütlesi olan dev bir yıldızın yanmasını gerektirir; bu bir milyar yıl sürebilecek bir süreçtir ve çekirdeği kendi üzerine çöker.

Ancak ortaya çıkan ve Güneş’in yalnızca 10 katı kütleye sahip olan kara delik, Samanyolu Gökadamızda bulunan ve Yay A* olarak bilinen 4 milyon güneş kütlesine sahip kara delikten çok farklıdır. Veya diğer galaksilerde bulunan, bir milyar güneş kütlesi kütlesine sahip süper kütleli kara delikler. Bu tür dev kara delikler, gaz ve yıldızların birikmesiyle daha küçük kara deliklerden, diğer kara deliklerle birleşerek oluşabiliyor ve bu da milyarlarca yıl sürüyor.

James Webb Uzay Teleskobu’nun açığa çıkardığı sırlar

Peki o halde neden James Webb Uzay Teleskobu süper kütleli kara delikleri zamanın başlangıcına yakın bir yerde, oluşmalarından binlerce yıl önce tespit ediyor? Los Angeles’taki Kaliforniya Üniversitesi’nden astrofizikçiler, kara deliklerin kendileri kadar gizemli bir cevap buldular: Karanlık madde, hidrojenin, yerçekiminin onu yıldızlar yerine kara deliklere dönüşecek kadar büyük ve yoğun bulutlara yoğunlaştıracak kadar uzun süre soğumasını engelledi. . Sonuçlar 27 Ağustos’ta Nature Communications dergisinde yayınlandı. Malzeme inceleme mektupları.

Los Angeles’taki Kaliforniya Üniversitesi’nden fizik ve astronomi profesörü Alexander Kosenko, “Evrenin kendisi sadece yarım milyar yaşında iken, bir milyar güneş kütlesi kütlesine sahip süper kütleli bir kara delik bulmak gerçekten şaşırtıcıydı” dedi. ve çalışmanın baş yazarı: “Dinozor kemikleri arasında modern bir araba bulmak ve o arabayı tarih öncesi çağlarda kimin yaptığını merak etmek gibi.”

Uzayda gaz soğutma mücadelesi

Bazı astrofizikçiler, yıldızların yanması, birikmesi ve birleşmesinden oluşan uzun geçmişi atlayarak, devasa bir gaz bulutunun çökerek doğrudan süper kütleli bir kara delik oluşturabileceğini öne sürdüler. Ancak bir sorun var: Yerçekimi büyük bir gaz bulutunu bir araya getirecek, ancak tek bir büyük buluta çekmeyecek. Bunun yerine, gaz parçalarını birbirine yakın yüzen ancak kara delik oluşturmayan küçük haleler halinde topluyor.

Bunun nedeni ise gaz bulutunun çok çabuk soğumasıdır. Gaz sıcak olduğu sürece basıncı yerçekimine direnebilir. Ancak gaz soğursa, basınç düşer ve yerçekimi birçok küçük bölgede hakim olabilir; bu bölgeler, yerçekiminin tüm bulutu tek bir kara deliğe çekme şansına sahip olmadan önce yoğun nesnelere dönüşür.

İlk yazar ve doktora öğrencisi Yifan Lu, “Bir gazın soğuma hızının moleküler hidrojen miktarıyla büyük ilgisi vardır” dedi. “Bir molekülde birbirine bağlı hidrojen atomları, gevşek bir hidrojen atomuyla karşılaştıklarında enerjiyi dağıtırlar. Mısır“Hidrojen molekülleri, termal enerjiyi emdikleri ve yaydıkları için soğutucu maddeler haline gelirler. İlk evrendeki hidrojen bulutları çok fazla moleküler hidrojen içeriyordu ve gaz hızla soğudu ve büyük bulutlar yerine küçük haleler oluşturdu.”

Lu ve doktora sonrası araştırmacı Zachary Baker, bu senaryo için olası tüm süreçleri hesaplamak üzere kod yazdılar ve ilave radyasyonun gazı ısıtıp hidrojen moleküllerini ayırarak gazın soğuma şeklini değiştirebileceğini keşfettiler.

Lu, “Belli bir enerji aralığında radyasyon eklerseniz moleküler hidrojeni yok eder ve büyük bulutların parçalanmasını önleyen koşullar yaratır” diye ekledi.

Kara deliklerin oluşumunda karanlık maddenin rolü

Peki radyasyon nereden geliyor?

Evrendeki maddenin çok küçük bir kısmı bedenlerimizi, gezegenimizi, yıldızları ve gözlemleyebildiğimiz her şeyi oluşturan türdendir. Aslında yıldız cisimleri üzerindeki kütleçekim etkileri ve uzak kaynaklardan gelen ışık ışınlarının bükülmesi yoluyla gözlenebilen maddenin büyük çoğunluğu, bilim adamlarının henüz tanımlayamadığı bazı yeni parçacıklardan oluşuyor.

Karanlık maddenin şekilleri ve özellikleri hala çözülmesi gereken bir gizemdir. Karanlık maddenin ne olduğunu bilmesek de, parçacık bilimcileri uzun süredir onun fotonlara, yani ışık parçacıklarına bozunabilen kararsız parçacıklar içerebileceğini hayal ediyorlardı. Simülasyona bu tür karanlık maddenin dahil edilmesi, gazın kara deliğe çökerken büyük bir bulutta hayatta kalması için gereken radyasyonu sağladı.

Karanlık madde yavaş yavaş bozunan parçacıklardan oluşabileceği gibi birden fazla parçacıktan da oluşabilir. SınıflandırmakBazıları stabildir, bazıları ise erken ayrışır. Her iki durumda da bozunma ürünü, moleküler hidrojeni parçalayan ve hidrojen bulutlarının çok hızlı soğumasını önleyen foton formundaki radyasyon olabilir. Karanlık maddenin çok hafif bozunması bile soğumayı, büyük bulutların oluşumunu ve sonunda süper kütleli kara deliklerin oluşumunu önlemeye yetecek kadar radyasyon üretir.

Becker, “Bu, süper kütleli kara deliklerin neden bu kadar erken keşfedildiğinin cevabı olabilir” dedi. “Eğer iyimser biriyseniz, bunu aynı zamanda bir tür karanlık maddeye dair olumlu kanıt olarak da okuyabilirsiniz. Eğer bu süper kütleli kara delikler şu şekilde oluştuysa: belki de bir gaz bulutunun çökmesi sonucu… Gereken ek radyasyon, karanlık sektörün bilinmeyen fiziğinden gelecektir.”

Referans: Yifan Lu, Zachary S.C. Baker ve Alexander Kosenko, 27 Ağustos 2024, “Süper kütleli kara deliklerin artık parçacıkların çürümesinden doğrudan çöküşü”, Malzeme inceleme mektupları.
doi: 10.1103/PhysRevLett.133.091001