Astrofysici onthullen supermassieve zwarte gat/donkere materie verbinding bij het oplossen van het 'laatste parsec probleem'

22 juli 2024

Dit artikel is beoordeeld volgens het redactionele proces en de beleidslijnen van Science X. Redacteuren hebben de volgende kenmerken benadrukt terwijl ze de geloofwaardigheid van de inhoud waarborgen:

• gecontroleerd op feiten
• peer-reviewed publicatie
• betrouwbare bron
• nagekeken

door Universiteit van Toronto

Onderzoekers hebben een verband gevonden tussen enkele van de grootste en kleinste objecten in het heelal: supermassieve zwarte gaten en deeltjes van donkere materie.

Hun nieuwe berekeningen onthullen dat paren van supermassieve zwarte gaten kunnen samensmelten tot een groter zwart gat vanwege het eerder over het hoofd geziene gedrag van deeltjes donkere materie, waardoor een oplossing wordt voorgesteld voor het langdurige 'laatste parsec-probleem' in de astronomie.

Het onderzoek wordt beschreven in 'Zelf-interagerende donkere materie lost het laatste parsec-probleem van samensmeltingen van supermassieve zwarte gaten op', gepubliceerd deze maand in het tijdschrift Physical Review Letters.

In 2023 kondigden astrofysici de detectie aan van een 'gezoem' van zwaartekrachtsgolven die het universum doordringt. Ze hypotheseren dat dit achtergrondsignaal afkomstig is van miljoenen paren samensmeltende supermassieve zwarte gaten, elk miljarden keren massiever dan onze zon.

Echter, theoretische simulaties toonden aan dat wanneer paren van deze mammoetachtige hemellichamen dichter naar elkaar toe spiralen, hun benadering vastloopt wanneer ze ongeveer een parsec uit elkaar liggen—een afstand van ongeveer drie lichtjaren—waardoor een samensmelting wordt voorkomen.

Dit 'laatste parsec-probleem' was niet alleen in tegenspraak met de theorie dat samensmeltende supermassieve zwarte gaten de bron waren van de achtergrond van zwaartekrachtsgolven, maar was ook in tegenspraak met de theorie dat supermassieve zwarte gaten groeien uit de samensmelting van kleinere zwarte gaten.

'We laten zien dat het opnemen van het eerder over het hoofd geziene effect van donkere materie supermassieve zwarte gaten kan helpen om dit laatste parsec van scheiding te overwinnen en samen te smelten,' zegt medeauteur van het artikel Gonzalo Alonso-Álvarez, een postdoctoraal onderzoeker op de afdeling Natuurkunde aan de Universiteit van Toronto en de Afdeling Natuurkunde en Trottier Space Institute aan McGill University. 'Onze berekeningen leggen uit hoe dat kan gebeuren, in tegenstelling tot wat eerder werd gedacht.'

De medeauteurs van het artikel zijn onder andere professor James Cline van McGill University en de CERN Theoretische Natuurkunde Afdeling in Zwitserland en Caitlyn Dewar, een masterstudent natuurkunde aan McGill.

Er wordt verondersteld dat supermassieve zwarte gaten zich in het midden van de meeste sterrenstelsels bevinden en wanneer twee sterrenstelsels botsen, vallen de supermassieve zwarte gaten in een baan om elkaar heen. Terwijl ze om elkaar heen draaien, trekt de zwaartekracht van nabijgelegen sterren aan hen en vertraagt hen. Als gevolg hiervan spiralen de supermassieve zwarte gaten naar een samensmelting.

Eerdere samensmeltingmodellen toonden aan dat wanneer de supermassieve zwarte gaten tot op ongeveer een parsec naderden, ze begonnen te interageren met de donkere materiewolk of halo waarin ze waren ingebed. Ze gaven aan dat de zwaartekracht van de spiralerende supermassieve zwarte gaten donkere materiedeeltjes uit het systeem slingert en de resulterende schaarste aan donkere materie betekent dat er geen energie wordt onttrokken aan het paar en hun onderlinge banen niet langer krimpen.

Hoewel die modellen de impact van donkere materie op de banen van supermassieve zwarte gaten negeerden, onthult het nieuwe model van Alonso-Álvarez en zijn collega's dat donkere materiedeeltjes met elkaar interageren op zo'n manier dat ze niet worden verspreid. De dichtheid van de donkere materie halo blijft hoog genoeg dat interacties tussen de deeltjes en de supermassieve zwarte gaten doorgaan met het degraderen van de banen van de supermassieve zwarte gaten, waardoor een pad naar een samensmelting wordt vrijgemaakt.

'De mogelijkheid dat donkere materiedeeltjes met elkaar interageren is een veronderstelling die we hebben gemaakt, een extra ingrediënt dat niet alle donkere materiemodellen bevatten,' zegt Alonso-Álvarez. 'Ons argument is dat alleen modellen met dat ingrediënt het laatste parsec-probleem kunnen oplossen.'

Het achtergrondgezoem dat wordt gegenereerd door deze kolossale kosmische botsingen bestaat uit zwaartekrachtsgolven met veel langere golflengte dan die voor het eerst werden gedetecteerd in 2015 door astrofysici die de Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) bedienden. Die zwaartekrachtsgolven werden gegenereerd door de samensmelting van twee zwarte gaten, beide ongeveer 30 keer zo massief als de zon.

Het achtergrondgezoem is de afgelopen jaren gedetecteerd door wetenschappers die de Pulsar Timing Array bedienen. Het array onthult gravitatiegolven door minuscule variaties in signalen van pulsars te meten, snel roterende neutronensterren die sterke radiopulsen uitzenden.

'Een voorspelling van ons voorstel is dat het spectrum van zwaartekrachtsgolven waargenomen door pulsar timing arrays moet worden verzacht op lage frequenties,' zegt Cline. 'De huidige gegevens laten al een hint van dit gedrag zien, en nieuwe gegevens kunnen dit in de komende jaren bevestigen.'

Naast inzicht te verschaffen in SBMH-samensmeltingen en het achtergrondsignaal van zwaartekrachtsgolven, biedt het nieuwe resultaat ook een kijkje in de aard van donkere materie.