Astrofysiker upptäcker supermassivt svart hål/mörk materia-anslutning vid lösning av 'final parsec-problemet'

22 juli 2024

Den här artikeln har granskats enligt Science X:s redaktionella process och policyer. Redaktörer har markerat följande attribut samtidigt som de säkerställer innehållets trovärdighet:

• faktagranskad
• peer-reviewed publikation
• pålitlig källa
• korrekturläs

av University of Toronto

Forskare har hittat en koppling mellan några av de största och minsta föremålen i kosmos: supermassiva svarta hål och partiklar av mörk materia.

Deras nya beräkningar avslöjar att par av supermassiva svarta hål (SMBH) kan smälta samman till ett enda större svart hål på grund av tidigare förbisedda beteenden hos mörk materia partiklar, vilket föreslår en lösning på det långvariga "slutliga parsec-problemet" inom astronomi.

Forskningen beskrivs i "Självinteragerande mörk materia löser det slutliga parsec-problemet med supermassiva svarta håls sammanslagningar", publicerad denna månad i tidskriften Physical Review Letters.

År 2023 tillkännagav astrofysiker upptäckten av ett "brum" av gravitationsvågor som genomsyrar universum. De antog att denna bakgrundssignal härrörde från miljontals sammanslagna par av SMBHs som vart och ett är miljarder gånger mer massivt än vår sol.

Teoretiska simuleringar visade dock att när par av dessa maffiga himmelska objekt spirar närmare varandra, stannar deras närmande när de är ungefär en parsek ifrån varandra - ett avstånd på cirka tre ljusår - vilket förhindrar en sammanslagning.

Detta "slutliga parsec-problem" kom inte bara i konflikt med teorin att sammanslagna SMBHs var källan till gravitationsvågens bakgrund, det var också i strid med teorin att SMBHs växer från sammanslagning av mindre massiva svarta hål.

"Vi visar att inkludering av den tidigare förbisedda effekten av mörk materia kan hjälpa supermassiva svarta hål att övervinna denna sista parsec av separation och sammansmältning", säger medförfattaren Gonzalo Alonso-Álvarez, en postdoktor vid Institutionen för fysik vid University of Toronto och Institutionen för fysik och Trottier Space Institute vid McGill University. "Våra beräkningar förklarar hur det kan ske, i motsats till vad man tidigare trott."

Uppsatsens medförfattare inkluderar professor James Cline från McGill University och CERNs teoretiska fysikavdelning i Schweiz och Caitlyn Dewar, en magisterstudent i fysik vid McGill.

SMBH tros ligga i centrum av de flesta galaxer och när två galaxer kolliderar faller SMBH i omloppsbana runt varandra. När de kretsar runt varandra drar gravitationskraften från närliggande stjärnor i dem och saktar ner dem. Som ett resultat spiralerar SMBH:erna inåt mot en sammanslagning.

Tidigare fusionsmodeller visade att när SMBH:erna närmade sig inom ungefär en parsec, börjar de interagera med mörk materiamoln eller halo där de är inbäddade. De indikerade att tyngdkraften hos de spiralformade SMBH:erna kastar mörk materiepartiklar bort från systemet och den resulterande glesheten av mörk materia innebär att energi inte dras från paret och deras inbördes omloppsbanor inte längre krymper.

Medan dessa modeller avfärdade inverkan av mörk materia på SMBH:s banor, avslöjar den nya modellen från Alonso-Álvarez och hans kollegor att mörk materia partiklar interagerar med varandra på ett sådant sätt att de inte sprids. Densiteten hos den mörka materiens halo förblir tillräckligt hög för att interaktioner mellan partiklarna och SMBH:erna fortsätter att försämra SMBH:s banor, vilket rensar en väg till en sammanslagning.

"Möjligheten att mörk materia partiklar interagerar med varandra är ett antagande som vi gjort, en extra ingrediens som inte alla mörk materia modeller innehåller", säger Alonso-Álvarez. "Vårt argument är att endast modeller med den ingrediensen kan lösa det slutliga parsec-problemet."

Bakgrundsbrumet som genereras av dessa kolossala kosmiska kollisioner består av gravitationsvågor med mycket längre våglängder än de som först upptäcktes 2015 av astrofysiker som driver Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO). Dessa gravitationsvågor genererades av sammanslagning av två svarta hål, båda cirka 30 gånger solens massa.

Bakgrundsbrummandet har upptäckts under de senaste åren av forskare som använder Pulsar Timing Array. Arrayen avslöjar gravitationsvågor genom att mäta små variationer i signaler från pulsarer, snabbt roterande neutronstjärnor som sänder ut starka radiopulser.

"En förutsägelse av vårt förslag är att spektrumet av gravitationsvågor som observeras av pulsar timing arrays bör mjukas upp vid låga frekvenser", säger Cline. "De aktuella uppgifterna antyder redan detta beteende, och nya data kanske kan bekräfta det under de närmaste åren."

Förutom att ge insikt i SBMH-sammanslagningar och gravitationsvågens bakgrundssignal, ger det nya resultatet också ett fönster till mörk materias natur.