Jak czarne dziury stały się supermasywne?

Czarne dziury to jedna z najbardziej palących tajemnic we wszechświecie. Nic, nawet światło, nie może uciec z czarnej dziury. A w centrum prawie każdej galaktyki znajduje się supermasywna czarna dziura o masie od milionów do miliardów mas Słońca. Zrozumienie czarnych dziur i sposobu, w jaki stają się supermasywne, może rzucić światło na ewolucję wszechświata.

trzy Fizycy W Narodowym Laboratorium Brookhaven Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych (DOE) opracował niedawno model wyjaśniający powstawanie supermasywnych czarnych dziur, a także naturę innego zjawiska: Ciemna materia. W artykule opublikowanym w Fizyczne listy kontrolnefizycy teoretycy Humman Davidisel, Peter Denton i Julia Guerlain opisują kosmiczne przesunięcie fazowe, które ułatwiło formowanie się supermasywnych czarnych dziur w ciemnym sektorze istnienie.

Kosmiczne przejście fazowe przypomina bardziej powszechny rodzaj przejścia fazowego: doprowadzanie wody do wrzenia. Gdy woda osiągnie dokładnie odpowiednią temperaturę, zamienia się w bąbelki i parę. Wyobraź sobie, że proces zachodzi w prymitywnym stanie materii. Następnie obróć proces w odwrotnym kierunku, aby dał efekt chłodzenia i wzmocnił go do kosmicznej skali.

Peter Denton powiedział: „Zanim istniały galaktyki, wszechświat był gorący i gęsty, i jest to dobrze ustalone. Jak wszechświat ostygł do tego, co obserwujemy dzisiaj, jest interesującym pytaniem, ponieważ nie mamy danych empirycznych opisujących, jak to się stało”. . „Możemy przewidzieć, co stało się ze znanymi cząstkami, ponieważ tak często wchodzą w interakcje. Ale co by było, gdyby istniały nieznane dotąd cząstki, które zachowują się inaczej?”

Aby zbadać to pytanie, zespół Brookhaven opracował model dla ciemnego sektora wszechświata, w którym występuje mnóstwo nieodkrytych cząstek, które rzadko wchodzą w interakcje. Wśród tych cząstek znajduje się bardzo jasna ciemna materia, która według szacunków jest 28 razy jaśniejsza od protonu. Ciemnej materii nigdy nie zaobserwowano bezpośrednio, ale fizycy uważają, że stanowi ona większość materii we wszechświecie w oparciu o jej efekty grawitacyjne.

„Częstotliwość znanych interakcji cząstek sugeruje, że materia, jaką znamy, nie przekształciłaby się w czarne dziury bardzo wydajnie” – powiedział Denton. „Ale jeśli jest ciemny sektor z bardzo jasną ciemną materią, to wczesny wszechświat Mogła mieć odpowiednie warunki do bardzo skutecznej formy załamania”.

Ostatnie obserwacje sugerują, że supermasywne czarne dziury powstały we wczesnym wszechświecie, znacznie wcześniej niż wcześniej sądzili fizycy. Ten wynik pozostawia niewiele czasu na wyjaśnienie wzrostu supermasywne czarne dziury. Fizycy wiedzą, że czarne dziury zyskują masę głównie na dwa sposoby. Jedna z metod, zwana akrecją, polega na tym, że materia, głównie pył, wpada do czarnych dziur. Istnieje jednak granica szybkości, z jaką materia może gromadzić się w czarnych dziurach poprzez akrecję. Druga metoda polega na zderzeniach galaktycznych, podczas których dwie czarne dziury mogą się łączyć; Jednak we wczesnym wszechświecie galaktyki dopiero zaczynały się formować. Dlatego fizycy zastanawiali się, w jaki sposób te starożytne kosmiczne cuda rosły tak szybko. Brakujący element mogą być ultralekkimi cząsteczkami ciemnej materii.

„Opracowaliśmy teorię, w jaki sposób cząstki w ciemnym sektorze mogą przejść przez przemianę fazową, która umożliwia bardzo wydajne zapadanie się materii czarne dziurypowiedział Denton. Kiedy temperatura Wszechświata jest odpowiednia, ciśnienie może nagle spaść do bardzo niskiego poziomu, pozwalając grawitacji przejąć kontrolę i Rzecz upaść. Nasze zrozumienie znanych cząstek sugeruje, że ten proces normalnie by nie zachodził”.

Takie przesunięcie fazowe byłoby dramatycznym wydarzeniem, nawet dla czegoś tak niesamowitego jak wszechświat.

„Te krachy to tak wielka sprawa, że ​​emitują fale grawitacyjne„Fale te mają wyraźny kształt, więc przewidujemy ten sygnał i jego przewidywaną szerokość pasma” – powiedział Denton.

Obecne eksperymenty z falami grawitacyjnymi nie są wystarczająco czułe, aby potwierdzić teorię, ale eksperymenty nowej generacji mogą być w stanie wykryć sygnały tych fal. Na podstawie charakterystycznego kształtu fal fizycy mogą następnie zawęzić szczegóły gigantyczna czarna dziura formacja – kompozycja. Do tego czasu teoretycy z Brookhaven będą nadal oceniać nowe dane i udoskonalać swój model.