Dunkle Materie könnte bei der Entstehung supermassereicher schwarzer Löcher zu Anbeginn der Zeit geholfen haben
Neue Daten über die Entstehung supermassereicher schwarzer Löcher beantworten die Frage, wie sie zu Beginn der Zeit entstanden sein könnten. Die Studie wurde von UCLA-Astrophysikern in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.
Die Entstehung eines supermassereichen Schwarzen Lochs dauert sehr lange. Normalerweise entsteht ein Schwarzes Loch, wenn ein Riesenstern mit einer Masse von mindestens 50 Sonnen verbrennt(ein Prozess, der Milliarden von Jahren dauern kann) und sein Kern in sich zusammenfällt.
Sagittarius A* ist ein Schwarzes Loch von vier Millionen Sonnenmassen in der Milchstraße, weit entfernt von den Milliarden Sonnenmassen der supermassiven Schwarzen Löcher in anderen Galaxien. Riesige Schwarze Löcher entstehen aus kleineren Schwarzen Löchern durch Akkretion von Sternen und Gas oder durch Verschmelzung von Schwarzen Löchern, was Milliarden von Jahren dauert.
Jetzt entdeckt das James-Webb-Weltraumteleskop supermassereiche schwarze Löcher in der Nähe des Beginns der Zeit, Äonen bevor sie sich hätten bilden sollen. Die Astrophysiker der UCLA glauben, die Antwort zu kennen: Die dunkle Materie verhinderte, dass der Wasserstoff lange genug abkühlte, damit die Schwerkraft ihn zu Wolken verdichten konnte, die dicht und groß genug waren, um zu schwarzen Löchern statt zu Sternen zu werden.
"Es war überraschend, ein supermassereiches schwarzes Loch mit einer Milliarde Sonnenmassen zu finden, obwohl das Universum selbst nur 500 Millionen Jahre alt ist", sagte der Hauptautor Alexander Kusenko, Professor für Physik und Astronomie an der UCLA. "Es ist, als würde man ein modernes Auto zwischen Dinosaurierknochen finden und sich fragen, wer es in prähistorischer Zeit gebaut hat.
Einige Astrophysiker behaupten, dass eine große Gaswolke kollabieren könnte, um direkt ein supermassereiches Schwarzes Loch zu bilden, wodurch die Notwendigkeit des Sternbrennens, der Akkretion und der Verschmelzung entfiele. Allerdings zieht die Schwerkraft eine große Gaswolke zwar zu sich hin, aber sie verwandelt sie nicht in eine große Wolke. Stattdessen würde sie Teile des Gases zu kleinen Halos zusammenziehen, die dicht beieinander schweben, aber kein Schwarzes Loch bilden würden.
Das liegt daran, dass die Gaswolke sehr schnell abkühlt und nur wenn sie heiß ist, kann sie der Schwerkraft entgegenwirken. Wenn das Gas abkühlt, sinkt der Druck und die Schwerkraft setzt sich in kleinen Regionen durch, sodass diese kollabieren und dichte Objekte bilden, bevor die Schwerkraft die Chance hat, die Wolke zu einem einzigen Schwarzen Loch zu ziehen.
"Wie schnell das Gas abkühlt, hat viel mit der Menge an molekularem Wasserstoff zu tun", sagt Doktorand und Erstautor Yifan Lu: "In einem Molekül gebundene Wasserstoffatome geben Energie ab, wenn sie auf ein loses Wasserstoffatom treffen. Wasserstoffmoleküle werden zu Kühlmitteln, indem sie Wärmeenergie absorbieren und abstrahlen. Die Wasserstoffwolken am Anfang des Universums enthielten zu viel molekularen Wasserstoff, und das Gas kühlte schnell ab und bildete kleine Halos anstelle großer Wolken."
Der Postdoktorand Zachary Picker und Lu erstellten einen Code, um alle möglichen Prozesse in diesem Szenario zu berechnen, und entdeckten , dass die zusätzliche Strahlung das Gas aufheizen und die Wasserstoffmoleküle dissoziieren könnte, was die Art der Abkühlung des Gases verändern würde.
"Wenn wir Strahlung in einem bestimmten Energiebereich hinzufügen, zerstören wir molekularen Wasserstoff und schaffen Bedingungen, die die Fragmentierung großer Wolken verhindern", so Lu.
Aber woher kommt die Strahlung?
Nur ein kleiner Teil der Materie im Universum besteht aus unseren Körpern, Planeten und Sternen und anderen Dingen, die wir sehen können. Der größte Teil der Materie besteht aus neuen Teilchen, die die Wissenschaftler noch nicht identifizieren konnten.
Die Eigenschaften und Formen der dunklen Materie sind ein echtes Rätsel, das nach wie vor ungelöst ist. Obwohl nicht bekannt ist, woraus die dunkle Materie besteht, haben Teilchentheoretiker spekuliert, dass sie instabile Teilchen enthalten könnte, die in Photonen (Lichtteilchen) zerfallen. Die Einbeziehung der dunklen Materie in die Simulationen sorgt für die Strahlung, die benötigt wird, damit das Gas in einer großen Wolke verbleibt, wenn es zu einem Schwarzen Loch kollabiert.
Dunkle Materie kann aus Teilchen bestehen, die langsam zerfallen, oder aus mehr als einer Art von Teilchen, von denen einige in frühen Stadien zerfallen und andere stabil sind. In beiden Fällen könnte das Zerfallsprodukt Strahlung in Form von Photonen sein. Dadurch würde der molekulare Wasserstoff zerfallen und die Wasserstoffwolken am Abkühlen hindern, sodass sich große Wolken bilden, die sich zu supermassiven Schwarzen Löchern entwickeln würden.
"Dies könnte die Lösung für die Tatsache sein, dass supermassereiche Schwarze Löcher so früh gefunden werden", so Picker. "Wenn man optimistisch ist, kann man dies auch als positiven Beweis für eine Art dunkler Materie lesen. Wenn diese supermassiven schwarzen Löcher durch den Kollaps einer Gaswolke entstanden sind, müsste die zusätzlich benötigte Strahlung vielleicht aus der unbekannten Physik des dunklen Sektors stammen."