Erken evrendeki karanlık maddeden gelen radyasyon, hidrojen gazını kara deliklere yoğunlaşacak kadar sıcak tutmuş olabilir.
- Süper kütleli kara deliklerin oluşması genellikle milyarlarca yıl alır. Ancak James Webb Uzay Teleskobu onları çok uzun zaman geçmeden bulmak Büyük patlama — oluşmaya vakit bulamadan.
- UCLA astrofizikçiler, karanlık madde bozunduğunda, yaydığı fotonların hidrojen gazını yer çekiminin onu dev bulutlar halinde toplaması ve sonunda onu süper kütleli bir buluta yoğunlaştırması için yeterince sıcak tuttuğunu keşfettiler. kara delik.
- Bulgular, çok erken süper kütleli kara deliklerin varlığını açıklamanın yanı sıra, fotonlar gibi parçacıklara bozunabilen bir tür karanlık maddenin varlığına da destek sağlıyor.
Süper kütleli kara deliklerin oluşumu
Merkezimizdeki gibi süper kütleli kara deliklerin oluşması uzun zaman alır. Samanyolu galaksinin oluşması için. Tipik olarak, bir kara deliğin doğuşu, en az 50 güneşimizin kütlesine sahip dev bir yıldızın yanmasını gerektirir – bu süreç bir milyar yıl sürebilir – ve çekirdeğinin kendi içine çökmesini gerektirir.
Yine de, sadece yaklaşık 10 güneş kütlesinde, ortaya çıkan kara delik, Samanyolu galaksimizde bulunan 4 milyon güneş kütlesindeki kara delik Sagittarius A*’dan veya diğer galaksilerde bulunan milyar güneş kütlesindeki süper kütleli kara deliklerden çok uzaktır. Bu tür devasa kara delikler, gaz ve yıldızların birikmesiyle ve milyarlarca yıl süren diğer kara deliklerle birleşmelerle daha küçük kara deliklerden oluşabilir.
James Webb Uzay Teleskobu Tarafından Açığa Çıkarılan Sırlar
Peki, James Webb Uzay Teleskobu neden zamanın başlangıcında, oluşabilmeleri gereken çağlardan çok önce, süper kütleli kara delikleri keşfediyor? Kaliforniya Üniversitesi, Los Angeles’tan (UCLA) astrofizikçilerin, kara deliklerin kendisi kadar gizemli bir cevabı var: Karanlık madde, hidrojenin soğumasını, yer çekiminin onu yıldızlar yerine kara deliklere dönüşecek kadar büyük ve yoğun bulutlara yoğunlaştıracağı kadar uzun süre engelledi. Bulgular 27 Ağustos’ta dergide yayımlandı Fiziksel İnceleme Mektupları.
“Evrenin kendisi yalnızca yarım milyar yaşında iken bir milyar güneş kütlesine sahip süper kütleli bir kara delik bulmak ne kadar da şaşırtıcıydı,” diyor kıdemli yazar, UCLA’da fizik ve astronomi profesörü olan Alexander Kusenko. “Bu, dinozor kemikleri arasında modern bir araba bulup tarih öncesi zamanlarda bu arabayı kimin yaptığını merak etmek gibi.”
Uzayda Gaz Soğutmanın Zorluğu
Bazı astrofizikçiler, büyük bir gaz bulutunun, yıldızların uzun yanma, birikme ve birleşme geçmişini atlayarak doğrudan süper kütleli bir kara delik oluşturmak için çökebileceğini ileri sürmüşlerdir. Ancak bir sorun var: Yerçekimi, gerçekten de büyük bir gaz bulutunu bir araya getirecektir, ancak tek bir büyük bulut haline getirmeyecektir. Bunun yerine, gazın bölümlerini birbirine yakın yüzen ancak bir kara delik oluşturmayan küçük haleler halinde toplar.
Bunun nedeni gaz bulutunun çok hızlı soğumasıdır. Gaz sıcak olduğu sürece basıncı yerçekimine karşı koyabilir. Ancak gaz soğursa basınç azalır ve yerçekimi tüm bulutu tek bir kara deliğe çekme şansı bulamadan yoğun nesnelere dönüşen birçok küçük bölgede baskın gelebilir.
“Gazın ne kadar çabuk soğuduğu moleküler hidrojen miktarıyla çok alakalıdır,” diyor ilk yazar ve doktora öğrencisi Yifan Lu. “Bir molekülde birbirine bağlanmış hidrojen atomları gevşek bir hidrojen atomuyla karşılaştıklarında enerjiyi dağıtır atom. Hidrojen molekülleri termal enerjiyi emip yaydıkça soğutucu maddeler haline gelirler. Erken evrendeki hidrojen bulutları çok fazla moleküler hidrojene sahipti ve gaz hızla soğudu ve büyük bulutlar yerine küçük haleler oluşturdu.”
Lu ve doktora sonrası araştırmacısı Zachary Picker, bu senaryonun tüm olası süreçlerini hesaplamak için bir kod yazdı ve ek radyasyonun gazı ısıtabileceğini ve hidrojen moleküllerini ayrıştırarak gazın soğuma biçimini değiştirebileceğini keşfetti.
Lu, “Belirli bir enerji aralığında radyasyon eklerseniz, moleküler hidrojeni yok eder ve büyük bulutların parçalanmasını önleyen koşullar yaratır” dedi.
Kara Delik Oluşumunda Karanlık Maddenin Rolü
Peki radyasyon nereden geliyor?
Evrendeki maddenin yalnızca çok küçük bir kısmı, bedenlerimizi, gezegenimizi, yıldızları ve gözlemleyebildiğimiz diğer her şeyi oluşturan türdendir. Yıldızsal nesneler üzerindeki kütle çekimsel etkileri ve uzak kaynaklardan gelen ışık ışınlarının bükülmesiyle tespit edilen maddenin büyük çoğunluğu, bilim insanlarının henüz tanımlayamadığı bazı yeni parçacıklardan oluşur.
Karanlık maddenin formları ve özellikleri bu nedenle çözülmesi gereken bir gizemdir. Karanlık maddenin ne olduğunu bilmesek de, parçacık teorisyenleri uzun zamandır ışığın parçacıkları olan fotonlara dönüşebilen kararsız parçacıklar içerebileceğini ileri sürüyorlar. Bu tür karanlık maddeleri simülasyonlara dahil etmek, gazın bir kara deliğe çökerken büyük bir bulutta kalması için gereken radyasyonu sağladı.
Karanlık madde, yavaşça bozunan parçacıklardan oluşabilir veya birden fazla parçacıktan oluşabilir türler: bazıları kararlı ve bazıları erken zamanlarda bozunur. Her iki durumda da, bozunmanın ürünü fotonlar biçiminde radyasyon olabilir, bu da moleküler hidrojeni parçalayıp hidrojen bulutlarının çok hızlı soğumasını önler. Karanlık maddenin çok hafif bozunması bile soğumayı önleyecek kadar radyasyon üreterek büyük bulutlar ve sonunda süper kütleli kara delikler oluşturur.
Picker, “Bu, süper kütleli kara deliklerin neden çok erken bir dönemde bulunduğuna dair çözüm olabilir,” dedi. “Eğer iyimserseniz, bunu bir tür karanlık madde için olumlu kanıt olarak da okuyabilirsiniz. Eğer bu süper kütleli kara delikler bir gaz bulutunun çökmesiyle oluşmuşsa, belki de gereken ek radyasyon karanlık sektörün bilinmeyen fiziğinden geliyor olmalı.”
Referans: Yifan Lu, Zachary SC Picker ve Alexander Kusenko tarafından 27 Ağustos 2024’te yayınlanan “Kalıntı Parçacık Çürümesinden Doğrudan Çöken Süper Kütleli Kara Delikler” Fiziksel İnceleme Mektupları.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.091001