Superzware zwarte gaten, of MKB's, zijn zwarte gaten met massa's die enkele miljoenen tot miljard keer de massa van onze zon zijn. De Melkweg herbergt een SMBH met een massa van een paar miljoen keer de zonnemassa. Verrassend genoeg, astrofysische waarnemingen tonen aan dat SMBH's al bestonden toen het heelal heel jong was. Bijvoorbeeld, een miljard zwarte gaten met de massa van de zon worden gevonden toen het universum slechts 6% van zijn huidige leeftijd was, 13,7 miljard jaar. Hoe ontstaan ​​deze SMBH's in het vroege heelal?

Een team onder leiding van een theoretisch natuurkundige aan de Universiteit van Californië, rivieroever, heeft een verklaring bedacht:een enorm zwart zaadgat dat de ineenstorting van een halo van donkere materie zou kunnen produceren.

Halo van donkere materie is de halo van onzichtbare materie die een sterrenstelsel of een cluster van sterrenstelsels omringt. Hoewel donkere materie nooit in laboratoria is gedetecteerd, natuurkundigen blijven ervan overtuigd dat deze mysterieuze materie die 85% van de materie van het universum uitmaakt, bestaat. Waren de zichtbare materie van een melkwegstelsel niet ingebed in een halo van donkere materie, deze zaak zou uit elkaar vliegen.

"Natuurkundigen zijn verbaasd waarom SMBH's in het vroege universum, die zich in de centrale regio's van halo's van donkere materie bevinden, zo enorm groeien in een korte tijd, " zei Hai-Bo Yu, een universitair hoofddocent natuurkunde en astronomie aan UC Riverside, wie leidde de studie die verschijnt in Astrofysische journaalbrieven . "Het is als een 5-jarig kind dat weegt, zeggen, 200 pond. Zo'n kind zou ons allemaal verbazen omdat we het typische gewicht van een pasgeboren baby weten en hoe snel deze baby kan groeien. Waar het gaat om zwarte gaten, natuurkundigen hebben algemene verwachtingen over de massa van een zaadzwart gat en de groeisnelheid ervan. De aanwezigheid van SMBH's suggereert dat deze algemene verwachtingen zijn geschonden, nieuwe kennis nodig. En dat is spannend."

Een zaadzwart gat is een zwart gat in zijn beginstadium - vergelijkbaar met de babyfase in het leven van een mens.

"We kunnen twee redenen bedenken, " voegde Yu eraan toe. "Het zaad - of 'baby'-zwart gat is ofwel veel massiever of het groeit veel sneller dan we dachten, of allebei. De vraag die zich dan voordoet, is wat de fysieke mechanismen zijn voor het produceren van een zaadzwart gat dat groot genoeg is of voor het bereiken van een groeisnelheid die snel genoeg is?"

"Het kost tijd voor zwarte gaten om massief te worden door omringende materie aan te zwellen, " zei co-auteur Yi-Ming Zhong, een postdoctoraal onderzoeker aan het Kavli Institute for Cosmological Physics aan de Universiteit van Chicago. "Ons artikel laat zien dat als donkere materie zelf-interacties heeft, de gravithermale ineenstorting van een halo kan leiden tot een voldoende groot zwart zaadgat. De groeisnelheid zou meer in overeenstemming zijn met de algemene verwachtingen."

In de astrofysica, een populair mechanisme dat wordt gebruikt om SMBH's te verklaren, is de ineenstorting van ongerept gas in protosterrenstelsels in het vroege heelal.

"Dit mechanisme, echter, kan geen zaadzwart gat produceren dat groot genoeg is om nieuw waargenomen SMBH's te huisvesten - tenzij het zwarte zaadgat een extreem hoge groeisnelheid ervaart, "Zei Yu. "Ons werk biedt een alternatieve verklaring:een zelf-interagerende halo van donkere materie ervaart gravithermische instabiliteit en het centrale gebied stort in tot een zaadzwart gat."

De uitleg die Yu en zijn collega's voorstellen werkt als volgt:

Donkere materiedeeltjes clusteren eerst samen onder invloed van de zwaartekracht en vormen een donkeremateriehalo. Tijdens de evolutie van de halo, twee concurrerende krachten - zwaartekracht en druk - werken. Terwijl de zwaartekracht donkere materiedeeltjes naar binnen trekt, druk duwt ze naar buiten. Als donkere materiedeeltjes geen zelfinteracties hebben, dan, terwijl de zwaartekracht ze naar de centrale halo trekt, ze worden heter, dat is, ze bewegen sneller, de druk neemt effectief toe, en ze stuiteren terug. Echter, in het geval van zelf-interagerende donkere materie, zelfinteracties van donkere materie kunnen de warmte van die "hetere" deeltjes naar nabijgelegen koudere deeltjes transporteren. Dit maakt het moeilijk voor de donkere materiedeeltjes om terug te stuiteren.

Yu legde uit dat de centrale halo, die zou instorten in een zwart gat, heeft een impulsmoment, wat betekent dat het draait. De zelfinteracties kunnen viscositeit induceren, of "wrijving, " die het impulsmoment verdrijft. Tijdens het instortingsproces, de centrale halo, die een vaste massa heeft, krimpt in radius en vertraagt ​​in rotatie vanwege viscositeit. Naarmate de evolutie vordert, de centrale halo stort uiteindelijk in een enkelvoudige staat in:een zwart zaadgat. Dit zaad kan massiever worden door omringende baryonische of zichtbare materie zoals gas en sterren aan te groeien.

"Het voordeel van ons scenario is dat de massa van het zaadzwarte gat hoog kan zijn, omdat het wordt geproduceerd door de ineenstorting van een halo van donkere materie, "Zei Yu. "Dus, het kan in relatief korte tijd uitgroeien tot een superzwaar zwart gat."

Het nieuwe werk is nieuw omdat de onderzoekers het belang van baryonen - gewone atomaire en moleculaire deeltjes - identificeren om dit idee te laten werken.

"Eerst, we tonen de aanwezigheid van baryonen, zoals gas en sterren, kan het begin van de gravithermische ineenstorting van een halo aanzienlijk versnellen en kan er vroeg genoeg een zwart gat ontstaan, " zei Wei-Xiang Feng, Yu's afgestudeerde student en een co-auteur op het papier. "Tweede, we laten zien dat de zelfinteracties viscositeit kunnen induceren die het impulsmomentoverblijfsel van de centrale halo verdrijven. Derde, we ontwikkelen een methode om de voorwaarde te onderzoeken voor het veroorzaken van algemene relativistische instabiliteit van de ingestorte halo, wat ervoor zorgt dat er een zwart gat kan ontstaan ​​als aan de voorwaarde wordt voldaan."

In het afgelopen decennium is Yu heeft nieuwe voorspellingen van zelfinteracties met donkere materie en hun observatiegevolgen onderzocht. Zijn werk heeft aangetoond dat zelf-interagerende donkere materie een goede verklaring kan zijn voor de waargenomen beweging van sterren en gas in sterrenstelsels.

"In veel sterrenstelsels, sterren en gas domineren hun centrale regio's, "zei hij. "Dus, het is natuurlijk om te vragen hoe de aanwezigheid van deze baryonische materie het instortingsproces beïnvloedt. We laten zien dat het het begin van de ineenstorting zal versnellen. Deze eigenschap is precies wat we nodig hebben om de oorsprong van superzware zwarte gaten in het vroege heelal te verklaren. De zelfinteracties leiden ook tot viscositeit die het impulsmoment van de centrale halo kan verdrijven en het instortingsproces verder kan helpen."

De onderzoekspaper is getiteld "Seeding Supermassive Black Holes with Self-Interacting Dark Matter:A Unified Scenario with Baryons."