Obserwacje astrofizyczne pokazują, że supermasywne czarne dziury istnieją, gdy Wszechświat ma zaledwie 800 milionów lat od Wielkiego Wybuchu (zaledwie 6% jego obecnego wieku). Pochodzenie tych zwartych obiektów wciąż pozostaje tajemnicą, a w szczególności zastanawiające jest, w jaki sposób mogły one stać się tak masywne w tak kosmologicznie krótkim odstępie czasu. Trio fizyków teoretycznych z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Riverside oraz Instytutu Fizyki Kosmologicznej Kavli na Uniwersytecie w Chicago proponuje scenariusz, w którym halo samo oddziałującej ciemnej materii doświadcza niestabilności i jego centralny region zapada się w zalążkową czarną dziurę.
W astrofizyce popularnym mechanizmem używanym do wyjaśniania supermasywnych czarnych dziur jest zapadanie się dziewiczego gazu w protogalaktykach we wczesnym Wszechświecie.
„Jednak mechanizm ten nie może wytworzyć wystarczająco masywnej czarnej dziury, aby pomieścić nowo zaobserwowane supermasywne czarne dziury – chyba, że ta czarna dziura doświadczyła ekstremalnie szybkiego tempa wzrostu” – powiedział dr Hai-Bo Yu, astronom z Wydziału Fizyki i Astronomii na Uniwersytecie Kalifornijskim w Riverside.
„Nasza praca dostarcza alternatywnego wyjaśnienia: samo oddziałujące halo ciemnej materii doświadcza grawitotermicznej niestabilności i jego centralny region zapada się w zalążkową czarną dziurę”.
„Potrzeba czasu, aby czarne dziury stały się masywne poprzez akrecję otaczającej je materii” – dodał dr Yi-Ming Zhong, badacz postdoktorancki w Instytucie Fizyki Kosmologicznej Kavli na Uniwersytecie w Chicago.
„Nasza praca pokazuje, że jeśli ciemna materia ma samoczynne interakcje, to grawitacyjne zapadanie się halo może doprowadzić do powstania wystarczająco masywnej czarnej dziury. Jej tempo wzrostu byłoby bardziej zgodne z ogólnymi oczekiwaniami.”
Wyjaśnienie, które proponują naukowcy działa w następujący sposób: cząstki ciemnej materii najpierw grupują się pod wpływem grawitacji i tworzą halo ciemnej materii.
Podczas ewolucji halo działają dwie konkurujące ze sobą siły – grawitacja i ciśnienie.
Podczas gdy grawitacja ściąga cząstki ciemnej materii do środka, ciśnienie wypycha je na zewnątrz.
Jeśli cząstki ciemnej materii nie mają samointerakcji, to w miarę jak grawitacja ciągnie je w kierunku centralnego halo, stają się one gorętsze, czyli poruszają się szybciej, ciśnienie efektywnie wzrasta i odbijają się od niego.
Jednak w przypadku samo oddziałującej ciemnej materii, oddziaływania samoczynne ciemnej materii mogą transportować ciepło z tych gorętszych cząstek do pobliskich zimniejszych. To utrudnia odbijanie się cząstek ciemnej materii.
„Centralne halo, które zapadłoby się w czarną dziurę, ma moment pędu, co oznacza, że się obraca” – powiedział dr Yu.
Samoczynne oddziaływania mogą wywoływać lepkość lub tarcie, które rozpraszają moment pędu.
Podczas procesu kolapsu, centralne halo, które ma stałą masę, kurczy się w promieniu i zwalnia rotację z powodu lepkości.
W trakcie dalszej ewolucji, centralne halo w końcu zapada się w pojedynczy stan: zalążkową czarną dziurę.
Nasiono to może stać się bardziej masywne poprzez akrecję otaczającej je materii barionowej – lub widzialnej – takiej jak gaz i gwiazdy.
„Zaletą naszego scenariusza jest to, że masa zalążka czarnej dziury może być duża, ponieważ powstaje ona w wyniku zapadania się halo z ciemnej materii. Dzięki temu może ona urosnąć w supermasywną czarną dziurę w stosunkowo krótkim czasie” – powiedział dr Yu.
Hipoteza zespołu jest o tyle nowatorska, że autorzy wskazują na znaczenie barionów, aby ten pomysł mógł zadziałać.
„Po pierwsze, pokazujemy, że obecność barionów, takich jak gaz i gwiazdy, może znacznie przyspieszyć początek grawitacyjnego zapadania się halo, a zalążkowa czarna dziura może powstać wystarczająco wcześnie” – powiedział Wei-Xiang Feng, student Wydziału Fizyki i Astronomii na Uniwersytecie Kalifornijskim w Riverside.
„Po drugie, pokazujemy, że samo-interakcje mogą indukować lepkość, która rozprasza resztki momentu pędu centralnego halo”.
„Po trzecie, opracowujemy metodę badania warunku wyzwolenia ogólnej relatywistycznej niestabilności zapadniętego halo, która zapewnia, że zalążkowa czarna dziura może powstać, jeśli warunek zostanie spełniony”.
