Astrofizycy odkrywają połączenie supermasywnych czarnych dziur/macierzy ciemnej materii w rozwiązaniu 'problemu ostatecznego parseka'

22 lipca 2024

Artykuł ten został zrecenzowany zgodnie z procesem redakcyjnym i politykami Science X. Redaktorzy podkreślili następujące cechy, dbając jednocześnie o wiarygodność treści:

• zweryfikowane faktograficznie
• publikacja z recenzją rówieśniczą
• zaufane źródło
• skorygowane

przez Uniwersytet w Toronto

Badacze odkryli związek między niektórymi z największych i najmniejszych obiektów we wszechświecie: supermasywnymi czarnymi dziurami i cząstkami materii ciemnej.

Ich nowe obliczenia ujawniają, że pary supermasywnych czarnych dziur (SMBHs) mogą złączyć się w pojedynczą większą czarną dziurę z powodu wcześniej pominiętego zachowania cząstek materii ciemnej, proponując rozwiązanie długo utrzymującego się "problemu ostatniego parseka" w astronomii.

Badania te opisano w artykule "Materia ciemna oddziałująca sama na siebie rozwiązuje problem ostatniego parseka połączeń supermasywnych czarnych dziur," opublikowanym w tym miesiącu w czasopiśmie Physical Review Letters.

W 2023 roku astrofizycy ogłosili wykrycie "brzęczenia" fal grawitacyjnych przenikających wszechświat. Hipotetyzowano, że ten sygnał tła wywodzi się z milionów łączących się par SMBHs każda miliardy razy cięższych od naszego słońca.

Jednak symulacje teoretyczne pokazały, że gdy pary tych ogromnych obiektów niebieskich zbliżają się do siebie, ich zbliżanie się zatrzymuje się, gdy są oddalone o około parsek - odległość około trzech lat świetlnych – co uniemożliwia złączenie.

Nie tylko ten "problem ostatniego parseka" był sprzeczny z teorią, że łączące się SMBHs były źródłem tła fal grawitacyjnych, ale również stał w sprzeczności z teorią, że SMBHs rosną z połączenia mniej masywnych czarnych dziur.

'Pokazujemy, że uwzględnienie wcześniej pomijanego efektu materii ciemnej może pomóc supermasywnym czarnym dziurom pokonać ten ostatni parsek separacji i połączyć się,' mówi współautor artykułu Gonzalo Alonso-Álvarez, stypendysta posztdoktorski w Katedrze Fizyki Uniwersytetu w Toronto oraz w Katedrze Fizyki i Instytucie Przestrzeni Trottiera na Uniwersytecie McGill. 'Nasze obliczenia wyjaśniają, jak może to nastąpić, w przeciwieństwie do tego, co wcześniej sądzono.'

Współautorami artykułu są profesor James Cline z Uniwersytetu McGill i Wydziału Fizyki Teoretycznej CERN w Szwajcarii oraz Caitlyn Dewar, studentka magistra fizyki na Uniwersytecie McGill.

SMBHs są uważane za znajdujące się w centrach większości galaktyk i gdy dwie galaktyki zderzą się, SMBHs wpadają na orbitę wokół siebie. Krążąc wokół siebie, grawitacyjne przyciąganie pobliskich gwiazd pociąga je i spowalnia. W rezultacie SMBHs spiralnie zbliżają się do połączenia.

Poprzednie modele połączeń pokazały, że gdy SMBHs zbliżały się do około parseka, zaczęły oddziaływać z chmurą materii ciemnej lub halo, w którym są osadzone. Wskazywały, że grawitacja obracających się SMBHs wyrzuca cząstki materii ciemnej z systemu i skutkująca skąpością materii ciemnej sprawia, że energia nie jest pobierana z pary i ich wspólne orbity nie kurczą się już.

Podczas gdy te modele zignorowały wpływ materii ciemnej na orbity SMBHs, nowy model od Alonso-Álvareza i jego współpracowników pokazuje, że cząstki materii ciemnej oddziałują ze sobą w taki sposób, że nie zostają rozproszone. Gęstość halo materii ciemnej pozostaje wystarczająco wysoka, aby interakcje między cząstkami a SMBHs nadal degradowały orbity SMBHs, otwierając drogę do połączenia.

'Możliwość interakcji cząstek materii ciemnej ze sobą to założenie, które przyjęliśmy, dodatkowy składnik, którego nie zawierają wszystkie modele materii ciemnej,' mówi Alonso-Álvarez. 'Naszym argumentem jest, że tylko modele z tym składnikiem mogą rozwiązać problem ostatniego parseka.'

Tło brzęk generowane przez te kolosalne kosmiczne zderzenia składa się z fal grawitacyjnych o długości fali znacznie dłuższej niż te, które po raz pierwszy wykryto w 2015 roku przez astrofizyków obsługujących Obserwatorium Fali Grawitacyjnych Laserowych Interferometrów (LIGO). Te fale grawitacyjne były generowane przez połączenie dwóch czarnych dziur, obie będące około 30 razy cięższe od słońca.

Tło brzęku zostało wykryte w ostatnich latach przez naukowców obsługujących Tablice Zegarów Pulsarowych. Tablica ujawnia fale grawitacyjne mierząc małe wahania sygnałów z pulsarów, szybko obracających się gwiazd neutronowych, które emitują silne impulsy radiowe.

'Przewidywaniem naszej propozycji jest to, że spektrum fal grawitacyjnych obserwowanych przez tablice pomiarowe pulsarów powinno być złagodzone na niskich częstotliwościach,' mówi Cline. 'Obecne dane już sugerują takie zachowanie, a nowe dane mogą być w stanie potwierdzić to w najbliższych latach.'

Oprócz dostarczenia informacji na temat połączeń SBMHs i sygnału tła fal grawitacyjnych, nowy wynik dostarcza również okno na naturę materii ciemnej.