Araştırmacılar süper kütleli kara delik Karanlık madde etkileşimleriyle birleşmeler, uzun zamandır var olan bir astronomik problemi çözme potansiyeli taşıyor ve karanlık maddenin doğası ve evrendeki rolü hakkında yeni bakış açıları sunuyor.
Araştırmacılar, evrendeki en büyük ve en küçük nesneler arasında bir bağlantı buldular: süper kütleli kara delikler ve karanlık madde parçacıkları.
Yeni hesaplamaları, süper kütleli kara delik çiftlerinin (SMBH’ler), karanlık madde parçacıklarının daha önce göz ardı edilen davranışları nedeniyle tek bir büyük kara deliğe dönüşebileceğini ortaya koyuyor ve uzun süredir devam eden “son kara delik” sorununa bir çözüm öneriyor. parsek Astronomide “sorun”.
Araştırma yakın zamanda dergide yayınlanan bir çalışmada anlatılıyor Fiziksel İnceleme Mektupları.
Son Parsek Probleminin Çözümü
2023 yılında astrofizikçiler bir “uğultu”nun tespit edildiğini duyurdular yerçekimi dalgaları evrene nüfuz ediyor. Bu arka plan sinyalinin, her biri Güneşimizden milyarlarca kat daha büyük olan milyonlarca birleşen SMBH çiftinden kaynaklandığını varsaydılar.
Ancak teorik simülasyonlar, bu devasa gök cisimlerinin spiral şeklinde birbirlerine yaklaştıkça, birbirlerinden yaklaşık bir parsek (yaklaşık üç ışık yılı) uzaklıkta olduklarında yaklaşmalarının durduğunu ve böylece birleşmelerinin engellendiğini gösterdi.
Çevresindeki gazın optik olarak ince (saydam) olduğu süper kütleli bir kara delik ikili sisteminin yaydığı ışığın simülasyonu. 72 derecelik eğimden veya diskin düzleminin kısmen yukarısından bakıldığında. Yayılan ışık tüm dalga boylarını temsil eder. Kaynak: NASAGoddard Uzay Uçuş Merkezi/Scott Noble; simülasyon verileri, d’Ascoli ve diğerleri. 2018
Bu “son parsek problemi” yalnızca birleşen SMBH’lerin kütle çekim dalgası arka planının kaynağı olduğu teorisiyle çelişmekle kalmıyor, aynı zamanda SMBH’lerin daha az kütleli kara deliklerin birleşmesinden kaynaklandığı teorisiyle de çelişiyordu.
“Daha önce gözden kaçan karanlık madde etkisini dahil etmenin, süper kütleli kara deliklerin bu son parseklik ayrılığı aşmalarına ve birleşmelerine yardımcı olabileceğini gösteriyoruz,” diyor makalenin ortak yazarı, Toronto Üniversitesi Fizik Bölümü ve McGill Üniversitesi Fizik Bölümü ve Trottier Uzay Enstitüsü’nde doktora sonrası araştırmacı olan Gonzalo Alonso-Álvarez. “Hesaplamalarımız, daha önce düşünülenin aksine, bunun nasıl meydana gelebileceğini açıklıyor.”
Makalenin ortak yazarları arasında McGill Üniversitesi’nden Profesör James Cline ve CERN İsviçre’deki Teorik Fizik Bölümü ve McGill’de fizik alanında yüksek lisans öğrencisi olan Caitlyn Dewar.
Kara Delik Birleşmelerinde Karanlık Maddenin Rolü
SMBH’lerin çoğu galaksinin merkezinde yer aldığı düşünülüyor ve iki galaksi çarpıştığında, SMBH’ler birbirlerinin yörüngesine giriyor. Birbirlerinin etrafında dönerken, yakındaki yıldızların kütleçekimsel çekimi onları çekiyor ve yavaşlatıyor. Sonuç olarak, SMBH’ler birleşmeye doğru içe doğru sarmal yapıyor.
Önceki birleşme modelleri, SMBH’ler yaklaşık bir parsek yakınına geldiğinde, gömülü oldukları karanlık madde bulutu veya hale ile etkileşime girmeye başladıklarını gösterdi. Sarmal SMBH’lerin yerçekiminin karanlık madde parçacıklarını sistemden uzaklaştırdığını ve bunun sonucunda ortaya çıkan karanlık madde seyrekliğinin çiftten enerji çekilmediği ve karşılıklı yörüngelerinin artık daralmadığı anlamına geldiğini belirttiler.
Bu modeller karanlık maddenin SMBH yörüngeleri üzerindeki etkisini göz ardı ederken, Alonso-Álvarez ve meslektaşlarının yeni modeli karanlık madde parçacıklarının dağılmayacak şekilde birbirleriyle etkileşime girdiğini ortaya koyuyor. Karanlık madde halesinin yoğunluğu, parçacıklar ve SMBH’ler arasındaki etkileşimlerin SMBH yörüngelerini bozmaya devam etmesi ve bir birleşmeye giden yolu açması için yeterince yüksek kalıyor.
Yerçekimi Dalgaları ve Karanlık Madde İçin Sonuçlar
Alonso-Álvarez, “Karanlık madde parçacıklarının birbirleriyle etkileşime girme olasılığı bizim yaptığımız bir varsayım, tüm karanlık madde modellerinin içermediği ekstra bir bileşen,” diyor. “Bizim argümanımız, yalnızca bu bileşene sahip modellerin son parsek sorununu çözebileceğidir.”
Bu devasa kozmik çarpışmaların oluşturduğu arka plan uğultusu, bunlardan çok daha uzun dalga boyuna sahip kütle çekim dalgalarından oluşur. ilk olarak 2015 yılında tespit edildi Lazer İnterferometre Yerçekimi Dalgası Gözlemevi’ni işleten astrofizikçiler tarafındanLİGO’nun). Bu kütle çekim dalgaları, her ikisi de Güneş’in kütlesinin yaklaşık 30 katı olan iki kara deliğin birleşmesiyle oluşmuştur.
Arkaplan uğultusu son yıllarda Pulsar Zamanlama Dizisi’ni çalıştıran bilim insanları tarafından tespit edildi. Dizi, güçlü radyo darbeleri yayan hızla dönen nötron yıldızları olan pulsarlardan gelen sinyallerdeki küçük değişimleri ölçerek kütle çekim dalgalarını ortaya çıkarıyor.
“Önerimizin bir tahmini, gözlemlenen kütle çekim dalgalarının spektrumunun pulsar zamanlama dizileri düşük frekanslarda yumuşatılmalıdır” diyor Cline. “Mevcut veriler zaten bu davranışa işaret ediyor ve yeni veriler bunu önümüzdeki birkaç yıl içinde doğrulayabilir.”
Yeni sonuç, SBMH birleşmeleri ve kütle çekim dalgası arka plan sinyali hakkında bilgi sağlamanın yanı sıra karanlık maddenin doğasına dair de bir pencere açıyor.
Alonso-Álvarez, “Çalışmamız karanlık maddenin parçacık doğasını anlamamıza yardımcı olacak yeni bir yol,” diyor. “Kara delik yörüngelerinin evriminin karanlık maddenin mikrofiziğine karşı çok hassas olduğunu bulduk ve bu, bu parçacıkları daha iyi anlamak için süper kütleli kara delik birleşmelerinin gözlemlerini kullanabileceğimiz anlamına geliyor.”
Örneğin araştırmacılar, modelledikleri karanlık madde parçacıkları arasındaki etkileşimlerin galaktik karanlık madde halelerinin şekillerini de açıkladığını buldular.
Alonso-Álvarez, “Son parsek probleminin ancak karanlık madde parçacıkları galaktik ölçeklerde karanlık maddenin dağılımını değiştirebilecek bir oranda etkileşime girerse çözülebileceğini bulduk,” diyor. “Bu beklenmedik bir durumdu çünkü süreçlerin gerçekleştiği fiziksel ölçekler üç veya daha fazla büyüklük sırası kadar ayrı. Bu heyecan verici.”
Referans: Gonzalo Alonso-Álvarez, James M. Cline ve Caitlyn Dewar tarafından yazılan “Kendi Kendine Etkileşimli Karanlık Madde, Süper Kütleli Kara Delik Birleşmelerinin Son Parsek Problemini Çözüyor”, 9 Temmuz 2024, Fiziksel İnceleme Mektupları.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.021401
Çalışma, Kanada Doğa Bilimleri ve Mühendislik Araştırma Konseyi tarafından finanse edildi.