Astrophysiker entdecken Verbindung zwischen supermassiven Schwarzen Löchern und Dunkler Materie bei der Lösung des "finalen Parsec-Problems"

22. Juli 2024

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von Universität Toronto

Forscher haben einen Zusammenhang zwischen einigen der größten und kleinsten Objekte im Kosmos gefunden: supermassiven Schwarzen Löchern und Dunkler Materie.

Ihre neuen Berechnungen zeigen, dass Paare von supermassiven Schwarzen Löchern (SMBHs) sich zu einem einzigen größeren Schwarzen Loch vereinigen können, aufgrund eines zuvor übersehenen Verhaltens von Dunkler Materie, der eine Lösung für das langwährende 'final Parsec-Problem' in der Astronomie vorschlägt.

Die Forschung wird in "Selbst-wechselwirkende Dunkle Materie löst das final Parsec-Problem von Supermassiven Schwarzen Loch-Verschmelzungen" beschrieben, das diesen Monat in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht wurde.

Im Jahr 2023 verkündeten Astrophysiker die Entdeckung eines "Brummens" von Gravitationswellen, die das Universum durchdringen. Sie vermuteten, dass dieses Hintergrundsignal von Millionen sich verschmelzender Paare von SMBHs stammt, die jeweils Milliarden Male massiver als unsere Sonne sind.

Allerdings zeigten theoretische Simulationen, dass sich Paare dieser gigantischen Himmelsobjekte einander annähern, jedoch bei einer Annäherung von etwa einem Parsec - einer Entfernung von etwa drei Lichtjahren - ins Stocken geraten und somit eine Verschmelzung verhindern.

Das "final Parsec-Problem" stand nicht nur im Konflikt mit der Theorie, dass sich verschmelzende SMBHs die Quelle des Gravitationswellen-Hintergrundsignals waren, sondern widersprach auch der Theorie, dass SMBHs aus der Verschmelzung weniger massiver Schwarzer Löcher entstehen.

'Wir zeigen, dass das Einbeziehen des zuvor übersehenen Effekts der Dunklen Materie supermassiven Schwarzen Löchern helfen kann, diesen finalen Parsec der Trennung zu überwinden und sich zu vereinigen', sagt Mitautor der Studie Gonzalo Alonso-Álvarez, ein Postdoktorand am Physik-Department der Universität Toronto und des Trottier Space Institute an der McGill University. 'Unsere Berechnungen erklären, wie das geschehen kann, im Gegensatz zu dem, was zuvor angenommen wurde.'

Zu den Mitautoren der Studie gehören Professor James Cline von der McGill University und der CERN Theoretischen Physik-Abteilung in der Schweiz sowie Caitlyn Dewar, eine Master-Studentin in Physik an der McGill Universität.

Man geht davon aus, dass sich SMBHs im Zentrum der meisten Galaxien befinden und wenn zwei Galaxien kollidieren, die SMBHs in Umlaufbahn um einander geraten. Während sie sich umkreisen, ziehen die Gravitationskräfte nahegelegener Sterne an ihnen und verlangsamen sie. Dadurch spiralisieren die SMBHs innerhalb zu einer Verschmelzung.

Frühere Verschmelzungsmodelle zeigten, dass wenn sich die SMBHs auf etwa einen Parsec annäherten, sie mit der Dunklen Materie-Wolke oder Halo interagierten, in der sie eingebettet sind. Diese Modelle deuteten darauf hin, dass die Gravitation der sich spiralisierenden SMBHs Dunkle Materie-Teilchen aus dem System entfernt und die resultierende Sparsamkeit an Dunkler Materie dazu führt, dass keine Energie aus dem Paar gezogen wird und ihre gegenseitigen Umläufe nicht mehr schrumpfen.

Obwohl diese Modelle den Einfluss der Dunklen Materie auf die Umlaufbahnen der SMBHs ablehnten, zeigt das neue Modell von Alonso-Álvarez und seinen Kollegen, dass Dunkle Materie-Teilchen miteinander in Wechselwirkung stehen in einer Art, dass sie nicht verteilt werden. Die Dichte des Dunkle Materie-Halos bleibt hoch genug, dass die Wechselwirkungen zwischen den Teilchen und den SMBHs weiterhin die Umläufe der SMBHs beeinträchtigen, einen Weg zu einer Verschmelzung freimachend.

'Die Möglichkeit, dass die Dunkle Materie-Teilchen miteinander interagieren, ist eine Annahme, die wir gemacht haben, eine zusätzliche Zutat, die nicht alle Dunkle Materie-Modelle enthalten', sagt Alonso-Álvarez. 'Unser Argument ist, dass nur Modelle mit dieser Zutat das finale Parsec-Problem lösen können.'

Das Hintergrund-Brummen, das durch diese kolossalen kosmischen Kollisionen erzeugt wird, besteht aus Gravitationswellen von viel längeren Wellenlängen als jene, die 2015 von Astrophysikern bei der Arbeit am Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) entdeckt wurden. Diese Gravitationswellen wurden durch die Verschmelzung von zwei Schwarzen Löchern erzeugt, die jeweils etwa 30 Mal so massiv wie die Sonne sind.

Das Hintergrund-Brummen wurde in den letzten Jahren von Wissenschaftlern, die am Pulsar Timing Array arbeiten, entdeckt. Das Array zeigt Gravitationswellen auf, indem es winzige Variationen in Signalen von Pulsaren misst, schnell rotierenden Neutronensternen, die starke Radiopulse aussenden.

'Eine Vorhersage unseres Vorschlags ist, dass das Spektrum der von Pulsar-Timing-Arrays beobachteten Gravitationswellen bei niedrigeren Frequenzen gedämpft sein sollte', sagt Cline. 'Die aktuellen Daten deuten bereits auf dieses Verhalten hin, und neue Daten könnten das in den nächsten Jahren bestätigen.'

Neben Einblicken in die SBMH-Verschmelzungen und das Hintergrundsignal der Gravitationswellen bietet das neue Ergebnis auch einen Einblick in die Natur der Dunklen Materie.