La radiazione proveniente dalla materia oscura nell’universo primordiale potrebbe aver contribuito a mantenere il gas idrogeno abbastanza caldo da condensarsi in buchi neri.
- I buchi neri supermassicci impiegano solitamente miliardi di anni per formarsi. Ma Telescopio spaziale James Webb Vengono ritrovati non molto tempo dopo? Big Bang – Prima che abbiano avuto abbastanza tempo per formarsi.
- Università della California Gli astrofisici hanno scoperto che se la materia oscura decade, i fotoni che emette mantengono il gas idrogeno abbastanza caldo da consentire alla gravità di raccoglierlo in nuvole giganti e infine condensarlo in una massa enorme. Buco nero.
- Oltre a spiegare l’esistenza dei primissimi buchi neri supermassicci, questa scoperta supporta l’esistenza di un tipo di materia oscura capace di decadere in particelle come i fotoni.
Formazione di buchi neri supermassicci
Ci vuole molto tempo perché si formino buchi neri supermassicci, come quello al centro della nostra galassia. via Lattea Normalmente, la nascita di un buco nero richiede che una stella gigante con una massa di almeno 50 masse solari si esaurisca – un processo che potrebbe richiedere un miliardo di anni – e il suo nucleo collassa su se stesso.
Tuttavia, il buco nero risultante, che ha una massa solo circa 10 volte quella del Sole, è molto diverso dal buco nero da 4 milioni di masse solari noto come Sagittarius A*, che si trova nella nostra Via Lattea. O buchi neri supermassicci con una massa di un miliardo di masse solari che esistono in altre galassie. Tali buchi neri giganti possono formarsi da buchi neri più piccoli attraverso l’accumulo di gas e stelle e fondendosi con altri buchi neri, il che richiede miliardi di anni.
Segreti rivelati dal telescopio spaziale James Webb
Ma allora perché il telescopio spaziale James Webb rileva i buchi neri supermassicci vicino all’inizio del tempo stesso, migliaia di anni prima che potessero formarsi? Gli astrofisici dell’Università della California, a Los Angeles, hanno trovato una risposta misteriosa quanto i buchi neri stessi: la materia oscura ha impedito all’idrogeno di raffreddarsi abbastanza a lungo da permettere alla gravità di condensarlo in nuvole abbastanza grandi e dense da trasformarsi in buchi neri invece che stelle. . I risultati sono stati pubblicati il 27 agosto sulla rivista Nature Communications. Lettere di revisione del materiale.
“È stato davvero sorprendente trovare un buco nero supermassiccio con una massa pari a un miliardo di masse solari quando l’universo stesso ha solo mezzo miliardo di anni”, ha affermato Alexander Kosenko, professore di fisica e astronomia all’Università della California, a Los Angeles. e autore principale dello studio: “È come trovare un’auto moderna tra le ossa di un dinosauro e chiedersi chi ha costruito quell’auto in epoca preistorica”.
Sfida di raffreddamento del gas nello spazio
Alcuni astrofisici hanno ipotizzato che un’enorme nube di gas potrebbe collassare per formare direttamente un buco nero supermassiccio, aggirando la lunga storia di combustione, accrescimento e fusione delle stelle. Ma c’è un problema: la gravità riunirà un’enorme nuvola di gas, ma non in un’unica enorme nuvola. Raccoglie invece frammenti di gas in piccoli aloni che galleggiano vicini ma non formano un buco nero.
La ragione di ciò è che la nube di gas si raffredda molto rapidamente. Finché il gas è caldo, la sua pressione è in grado di resistere alla gravità. Ma se il gas si raffredda, la pressione diminuisce e la gravità può prevalere in molte piccole regioni, che collassano in oggetti densi prima che la gravità abbia la possibilità di trascinare l’intera nuvola in un unico buco nero.
“La velocità di raffreddamento di un gas ha molto a che fare con la quantità di idrogeno molecolare”, ha affermato il primo autore e dottorando Yifan Lu. “Gli atomi di idrogeno legati insieme in una molecola dissipano energia quando incontrano un atomo di idrogeno sciolto mais“Le molecole di idrogeno diventano agenti di raffreddamento perché assorbono energia termica e la irradiano via. Le nuvole di idrogeno nell’universo primordiale contenevano molto idrogeno molecolare e il gas si raffreddava rapidamente e formava piccoli aloni invece di grandi nuvole.”
Lu e il ricercatore post-dottorato Zachary Becker hanno scritto un codice per calcolare tutti i possibili processi per questo scenario e hanno scoperto che la radiazione aggiuntiva potrebbe riscaldare il gas e separare le molecole di idrogeno, cambiando il modo in cui il gas si raffredda.
“Se si aggiungono radiazioni in un certo intervallo di energia, queste distruggono l’idrogeno molecolare e creano condizioni che impediscono la disgregazione di grandi nubi”, ha aggiunto Lu.
Il ruolo della materia oscura nella formazione dei buchi neri
Ma da dove provengono le radiazioni?
Una piccola frazione della materia nell’universo è quella che costituisce i nostri corpi, il nostro pianeta, le stelle e tutto ciò che possiamo osservare. Infatti, la stragrande maggioranza della materia, che può essere osservata attraverso i suoi effetti gravitazionali sui corpi stellari e attraverso la deflessione dei raggi luminosi provenienti da sorgenti lontane, è costituita da alcune nuove particelle che gli scienziati non sono ancora riusciti a identificare.
Le forme e le proprietà della materia oscura sono un mistero ancora da risolvere. Anche se non sappiamo cosa sia la materia oscura, gli scienziati delle particelle immaginano da tempo che potrebbe contenere particelle instabili che possono decadere in fotoni, le particelle di luce. Includere tale materia oscura nella simulazione ha fornito la radiazione necessaria affinché il gas sopravviva in una grande nube mentre collassa in un buco nero.
La materia oscura può essere costituita da particelle che decadono lentamente oppure può essere composta da più di una particella ClassificareAlcuni sono stabili e altri si decompongono presto. In entrambi i casi, il prodotto del decadimento può essere una radiazione sotto forma di fotoni, che disgregano l’idrogeno molecolare e impediscono alle nubi di idrogeno di raffreddarsi troppo rapidamente. Anche un decadimento molto lieve della materia oscura produce radiazioni sufficienti a prevenire il raffreddamento, la formazione di grandi nubi e, infine, buchi neri supermassicci.
“Questa potrebbe essere la risposta al motivo per cui i buchi neri supermassicci sono stati rilevati così presto”, ha detto Becker. “Se sei un ottimista, puoi anche leggere questo come una prova positiva per un tipo di materia oscura. Se questi buchi neri supermassicci si formassero come a causa del collasso di una nube di gas, forse dovrebbero… La radiazione aggiuntiva richiesta verrebbe dalla fisica sconosciuta del settore oscuro.”
Riferimento: “Collasso diretto di buchi neri supermassicci dal decadimento di particelle residue” di Yifan Lu, Zachary S.C. Baker e Alexander Kosenko, 27 agosto 2024, Lettere di revisione del materiale.
doi: 10.1103/PhysRevLett.133.091001
