Wat is de oorsprong van zwarte gaten en hoe is die vraag verbonden met een ander mysterie, de aard van donkere materie? Donkere materie omvat het grootste deel van de materie in het heelal, maar de aard ervan blijft onbekend.

De afgelopen jaren zijn door de Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) meerdere detecties van zwaartekrachtgolven van samensmeltende zwarte gaten geïdentificeerd. herdacht met de natuurkunde Nobelprijs 2017 voor Kip Thorne, Barry Barish, en Rainer Weiss. Een definitieve bevestiging van het bestaan ​​van zwarte gaten werd gevierd met de natuurkunde Nobelprijs 2020, toegekend aan Andrea Ghez, Reinhard Genzel en Roger Penrose. Het begrijpen van de oorsprong van zwarte gaten is dus een centraal thema geworden in de natuurkunde.

Verrassend genoeg, LIGO heeft onlangs een kandidaat voor een zwart gat van 2,6 zonsmassa waargenomen (gebeurtenis GW190814, gemeld in Astrofysische journaalbrieven 896 (2020) 2, L44). Ervan uitgaande dat dit een zwart gat is, en niet een ongewoon zware neutronenster, waar komt het vandaan?

Zwarte gaten met zonnemassa zijn bijzonder intrigerend, omdat ze niet worden verwacht van conventionele sterrenevolutie-astrofysica. Dergelijke zwarte gaten kunnen ontstaan ​​in het vroege heelal (oerzwarte gaten) of worden "getransmuteerd" uit bestaande neutronensterren. Sommige zwarte gaten kunnen zich in het vroege heelal hebben gevormd lang voordat de sterren en sterrenstelsels werden gevormd. Dergelijke oerzwarte gaten zouden een deel van of alle donkere materie kunnen vormen. Als een neutronenster een oerzwart gat vangt, het zwarte gat verbruikt de neutronenster van binnenuit, verandert het in een zwart gat met de massa van de zon. Dit proces kan een populatie zwarte gaten met de massa van de zon produceren, ongeacht hoe klein de oorspronkelijke zwarte gaten zijn. Andere vormen van donkere materie kunnen zich ophopen in een neutronenster, waardoor deze uiteindelijk instort tot een zwart gat met de massa van de zon.

Een nieuwe studie, gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , voert een beslissende test uit om de oorsprong van zwarte gaten met de massa van de zon te onderzoeken. Dit werk werd geleid door het Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU) Fellow Volodymyr Takhistov en het internationale team omvatte George M. Fuller, Distinguished Professor of Physics en directeur van het Center for Astrophysics and Space Science aan de University of California, San Diego, evenals Alexander Kusenko, Hoogleraar natuurkunde en sterrenkunde aan de Universiteit van Californië, Los Angeles en een Kavli IPMU bezoekende senior wetenschapper.

Zoals de studie bespreekt (zie figuur 1), "getransmuteerde" zwarte gaten met zonnemassa die overblijven van neutronensterren die worden verslonden door donkere materie (ofwel kleine oerzwarte gaten of ophoping van donkere materie in deeltjes) zouden de massaverdeling van de oorspronkelijke gastheer-neutronensterren moeten volgen. Aangezien de massaverdeling van de neutronenster naar verwachting een piek zal bereiken rond de 1,5 zonsmassa, het is onwaarschijnlijk dat zwarte gaten met een zwaardere zonnemassa zijn ontstaan ​​uit donkere materie die in wisselwerking staat met neutronensterren. Dit suggereert dat gebeurtenissen als de door LIGO gedetecteerde kandidaat, als ze inderdaad zwarte gaten vormen, zou van primordiale oorsprong uit het vroege heelal kunnen zijn en dus ons begrip van astronomie drastisch beïnvloeden. Toekomstige waarnemingen zullen deze test gebruiken om de oorsprong van zwarte gaten te onderzoeken en te identificeren.

Eerder (zie Fuller, Kusenko, Takhistov Fysieke beoordelingsbrieven 119 (2017) 6, 061101), hetzelfde internationale team van onderzoekers toonde ook aan dat verstoring van neutronensterren door kleine oerzwarte gaten kan leiden tot een rijke verscheidenheid aan waarnemingssignaturen en ons kan helpen dergelijke lang bestaande astronomische puzzels te begrijpen, zoals de oorsprong van zware elementen (bijv. Goud en uranium) en de 511 keV gammastraling die wordt waargenomen vanuit het centrum van onze Melkweg.