Künstlerische Darstellung eines supermassereichen Schwarzen Lochs im frühen Universum. (ESA/Hubble, NASA, M. Kornmesser) Da wir zunehmend in der Lage sind, immer tiefer in das Universum zu blicken, haben wir etwas sehr Überraschendes entdeckt: Supermassereich Schwarze Löcher Millionen- bis Milliardenfache der Masse der Sonne, bevor das Universum überhaupt 10 Prozent seines heutigen Alters erreicht hatte.
Das ist ein ziemliches kosmologisches Rätsel. Angesichts dessen, was wir über die Wachstumsrate von Schwarzen Löchern wissen, hätte seit dem nicht genug Zeit vergehen dürfen Urknall damit sie so groß werden. Aber ihre Anwesenheit ist unbestreitbar – also muss etwas Seltsames im Gange sein.
Einer neuen Forschung zufolge könnte dieses Etwas eines der seltsamsten Dinge im Universum sein: Dunkle Materie .
„Wir können uns zwei Gründe vorstellen [warum die Schwarzen Löcher im frühen Universum so massiv sind]“, sagte der Physiker und Astronom Hai-Bo Yu von der University of California Riverside .
„Der Samen – oder ‚Baby‘ – schwarzes Loch ist entweder viel massiver oder es wächst viel schneller als wir dachten, oder beides. Die Frage, die sich dann stellt, ist, welche physikalischen Mechanismen es gibt, um ein ausreichend großes Schwarzes Loch zu erzeugen oder eine ausreichend schnelle Wachstumsrate zu erreichen?
Dunkle Materie ist eines der größten Geheimnisse des Universums. Wir wissen nicht, was es ist oder woraus es besteht. Die einzige Art und Weise, wie es mit der normalen baryonischen Materie im Universum interagiert – das ist der Stoff, aus dem alles besteht, was wir sehen können – ist die Gravitation.
Da es gravitativ interagiert, können wir Gravitationseffekte im Universum beobachten, wie etwa die Rotation von Galaxien und die Art und Weise, wie sich Licht entlang eines starken Gravitationsfeldes krümmt, und den Gravitationseffekt normaler Materie abziehen, um den Gehalt an dunkler Materie zu bestimmen. Und davon gibt es jede Menge. Schätzungsweise 85 Prozent der gesamten Materie im Universum ist Dunkle Materie.
Die meisten Galaxien befinden sich in einem Halo aus dunkler Materie; Es wird angenommen, dass es für ihre Ausbildung von entscheidender Bedeutung ist. Ein Modell für die Entstehung supermassereicher Schwarzer Löcher ist der direkte Kollaps einer dichten Gaswolke. Yu und seine Kollegen fragten sich, ob es vielleicht noch einen weiteren Beitrag geben würde.
„Dieser Mechanismus … kann kein Saat-Schwarzes Loch erzeugen, das massiv genug ist, um neu beobachtete supermassereiche Schwarze Löcher aufzunehmen – es sei denn, das Saat-Schwarze Loch verzeichnete eine extrem schnelle Wachstumsrate.“ Sagte Yu .
„Unsere Arbeit liefert eine alternative Erklärung: Ein selbstwechselwirkender Halo aus dunkler Materie erfährt gravotherme Instabilität und seine zentrale Region kollabiert zu einem Schwarzen Loch.“
Soweit wir das beurteilen können, interagiert Dunkle Materie nur gravitativ mit baryonischer Materie, kann aber möglicherweise mit sich selbst interagieren.
Das Szenario des Teams beginnt mit der Bildung eines solchen Halos aus dunkler Materie, der im frühen Universum gravitativ zusammenkommt. Der nach innen gerichtete Zug der Schwerkraft würde mit dem nach außen gerichteten Druck von Hitze und Druck konkurrieren; Bei nicht selbstwechselwirkender Dunkler Materie würden Teilchen, die in Richtung der Mitte des Halos kondensieren, unter der zunehmenden Schwerkraft schneller werden und unter dem höheren Druck zurückstoßen, da sie ihre Energie nicht auf andere Teilchen übertragen könnten.
Selbstwechselwirkende Dunkle-Materie-Teilchen könnten jedoch Energie auf andere Teilchen übertragen und so Reibung in die rotierende Dunkle-Materie-Flüssigkeit einbringen. Dies würde dazu führen, dass die Teilchen langsamer werden, der Drehimpuls sinkt und der zentrale Halo schrumpft, sodass er schließlich unter seiner eigenen Masse kollabiert und den Keim eines Schwarzen Lochs bildet.
Ab diesem Zeitpunkt könnte der Samen durch die Ansammlung baryonischer Materie wachsen, sagten die Forscher. Und obwohl der „Keim“ der Dunklen Materie eine Masse haben kann, die groß genug ist, um dem Schwarzen Loch ein schnelles Wachstum zu ermöglichen, sind beide Materieformen erforderlich.
„In vielen Galaxien dominieren Sterne und Gas ihre zentralen Regionen.“ Yu erklärte .
„Daher stellt sich natürlich die Frage, wie sich das Vorhandensein dieser baryonischen Materie auf den Kollapsprozess auswirkt.“ Wir zeigen, dass es den Beginn des Zusammenbruchs beschleunigen wird. Dieses Merkmal ist genau das, was wir brauchen, um den Ursprung supermassereicher Schwarzer Löcher im frühen Universum zu erklären. Die Selbstwechselwirkungen führen auch zu einer Viskosität, die den Drehimpuls des zentralen Halos zerstreuen und den Kollapsprozess weiter unterstützen kann.“
Das Team hofft, dass zukünftige, noch empfindlichere Instrumente in der Lage sein werden, frühe Universumsgalaxien mit einem Helligkeitsbereich zu lokalisieren, der außerhalb der Möglichkeiten unserer aktuellen Teleskope liegt.
Dies sollte zur Validierung ihres Modells beitragen, ein Ergebnis, das uns nicht nur dabei helfen würde, das Problem der supermassiven Schwarzen Löcher im frühen Universum zu lösen, sondern auch die mysteriöse Natur der Dunklen Materie.
Die Forschung wurde veröffentlicht in Die astrophysikalischen Tagebuchbriefe .