Promieniowanie z ciemnej materii mogło utrzymywać wodór w temperaturze wystarczająco wysokiej, by mógł się skroplić i utworzyć czarne dziury.
Formowanie się supermasywnych czarnych dziur, takich jak ta w centrum naszej Galaktyki, zajmuje dużo czasu. Zazwyczaj narodziny czarnej dziury wymagają wypalenia się olbrzymiej gwiazdy o masie co najmniej 50 mas Słońca – proces ten może trwać miliard lat – i zapadnięcia się jej jądra.
Choć taka czarna dziura ma masę zaledwie około 10 mas Słońca, to wciąż jest ona znacznie mniejsza od czarnej dziury Sagittarius A*, znajdującej się w naszej Galaktyce, która ma masę czterech milionów mas Słońca. Jeszcze większe są supermasywne czarne dziury znajdujące się w innych galaktykach, których masa może sięgać miliarda mas Słońca. Tak gigantyczne obiekty powstają z mniejszych czarnych dziur poprzez akrecję gazu i gwiazd oraz łączenie się z innymi czarnymi dziurami. Proces ten trwa miliardy lat.
Dlaczego zatem Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST) odkrywa supermasywne czarne dziury w pobliżu początku czasu – eony przed tym, zanim powinny się one uformować? Astrofizycy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Los Angeles (UCLA) mają odpowiedź równie tajemniczą, jak same czarne dziury: ciemna materia powstrzymywała wodór przed chłodzeniem na tyle długo, aby grawitacja skondensowała go w chmury wystarczająco duże i gęste, aby przekształcić się w czarne dziury zamiast w gwiazdy. Artykuł na ten temat został opublikowany w czasopiśmie „Physical Review Letters”.
Zaskakujące było znalezienie supermasywnej czarnej dziury o masie miliarda mas Słońca, gdy sam Wszechświat miał zaledwie pół miliarda lat – powiedział Alexander Kusenko, profesor fizyki i astronomii na UCLA, jeden z autorów publikacji. To tak, jakby znaleźć nowoczesny samochód wśród kości dinozaurów – i zastanawiać się, kto go zbudował w czasach prehistorycznych.
Niektórzy astrofizycy twierdzą, że duża chmura gazu może zapaść się, bezpośrednio tworząc supermasywną czarną dziurę, z pominięciem długiej historii spalania gwiazd, akrecji i fuzji. Jest jednak pewien haczyk: grawitacja rzeczywiście przyciągnie do siebie dużą chmurę gazu, ale nie w jedną dużą chmurę. Zamiast tego gromadzi fragmenty gazu w grupę małych halo, które unoszą się blisko siebie, ale nie tworzą czarnej dziury.
Powodem jest zbyt szybkie ochładzanie się chmury gazu. Dopóki gaz jest gorący, jego ciśnienie może przeciwdziałać grawitacji. Jeżeli jednak gaz się ochłodzi, ciśnienie spada, a grawitacja może dominować w wielu małych regionach, które zapadają się w gęste obiekty, zanim grawitacja będzie miała szansę wciągnąć całą chmurę do pojedynczej czarnej dziury.
To, jak szybko gaz się ochładza, ma wiele wspólnego z ilością wodoru molekularnego – powiedział Yifan Lu, pierwszy autor artykułu, doktorant na UCLA. Atomy wodoru związane ze sobą w cząsteczce rozpraszają energię, gdy napotykają luźny atom wodoru. Cząsteczki wodoru stają się czynnikami chłodzącymi, ponieważ pochłaniają energię cieplną i wypromieniowują ją. Chmury wodoru we wczesnym Wszechświecie miały zbyt dużo wodoru molekularnego, a gaz szybko się ochładzał i tworzył małe halo zamiast dużych chmur.
Lu i Zachary Picer napisali kod do obliczenia wszystkich możliwych procesów tego scenariusza – i odkryli, że dodatkowe promieniowanie może podgrzać gaz i rozdzielić cząsteczki wodoru, zmieniając sposób chłodzenia gazu.
Jeżeli dodasz promieniowanie w pewnym zakresie energii, zniszczy ono wodór cząsteczkowy i stworzy warunki, w których nie dochodzi do fragmentacji dużych chmur – powiedział Lu.
Ale skąd pochodzi promieniowanie?
Tylko bardzo niewielka część materii we Wszechświecie to ten rodzaj, który tworzy nasze ciała, naszą planetę, gwiazdy i wszystko inne, co możemy zaobserwować. Zdecydowana większość materii, wykrywana przez jej wpływ grawitacyjny na obiekty gwiazdowe i przez zakrzywianie promieni światła z odległych źródeł, składa się z nowych cząstek, których naukowcy jeszcze nie zidentyfikowali. Formy i właściwości ciemnej materii są zatem tajemnicą. Chociaż nie wiemy, czym jest ciemna materia, teoretycy cząstek od dawna spekulują, że może ona zawierać niestabilne cząsteczki, które mogą rozpadać się na fotony. Uwzględnienie takiej ciemnej materii w symulacjach zapewniło promieniowanie potrzebne do tego, aby gaz pozostał w dużej chmurze podczas zapadania się w czarną dziurę.
Ciemna materia może składać się z cząsteczek ulegających powolnemu rozpadowi lub być mieszaniną różnych rodzajów cząstek: niektórych stabilnych, a innych rozpadających się stosunkowo szybko. W obu przypadkach produktem rozpadu może być promieniowanie w postaci fotonów. Te fotony rozbijają wodór cząsteczkowy, zapobiegając zbyt szybkiemu ochładzaniu się obłoków wodoru. Nawet bardzo łagodny rozpad ciemnej materii wytwarza wystarczająco dużo promieniowania, by zapobiec ochładzaniu, prowadząc do tworzenia się dużych chmur, a w konsekwencji – supermasywnych czarnych dziur.
To może wyjaśniać, dlaczego odnajdujemy supermasywne czarne dziury w bardzo wczesnym Wszechświecie – powiedział Picker. Optymistycznie patrząc, można to również odczytać jako pozytywny dowód na istnienie jednego z rodzajów ciemnej materii. Jeżeli te supermasywne czarne dziury powstały w wyniku zapadnięcia się obłoku gazu, być może wymagane dodatkowe promieniowanie musiałoby pochodzić z nieznanej fizyki ciemnego sektora.
Opracowanie: Agnieszka Nowak
Więcej informacji:
- Dark matter could have helped make supermassive black holes in the early universe
- Direct Collapse Supermassive Black Holes from Relic Particle Decay
Źródło: UCLA
Na ilustracji: Widok supermasywnej czarnej dziury Drogi Mlecznej, Sagittarius A*, w świetle spolaryzowanym. Źródło: ESO/Wikimedia Commons
