Astrofizikçiler ‘son parsek problemini’ çözerken süper kütleli kara delik/karanlık madde bağlantısını ortaya çıkardı

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 (SMBH) çiftlerinin, daha önce göz ardı edilen karanlık madde parçacıklarının davranışları nedeniyle tek bir büyük kara deliğe dönüşebileceğini ortaya koyarak, astronomide uzun zamandır var olan “son parsek sorununa” bir çözüm öneriyor.

Araştırma, “Kendi kendine etkileşen karanlık madde, süper kütleli kara delik birleşmelerinin son parsek sorununu çözüyor” başlıklı makalede anlatılıyor. yayınlanan bu ay dergide Fiziksel İnceleme Mektupları.

2023’te astrofizikçiler evrene nüfuz eden bir kütleçekim dalgaları “vızıltısı” tespit ettiklerini duyurdular. 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 sarmal hareketlerle birbirlerine yaklaştıkça, birbirlerinden yaklaşık bir parsek (yaklaşık üç ışık yılı) uzaklıkta olduklarında yaklaşmalarının durduğunu ve böylece birleşmelerinin engellendiğini gösterdi.

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 uyuşmuyordu.

“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 Gonzalo Alonso-Álvarez, Toronto Üniversitesi Fizik Bölümü ve McGill Üniversitesi Fizik Bölümü ve Trottier Uzay Enstitüsü’nde doktora sonrası araştırmacı. “Hesaplamalarımız, daha önce düşünülenlerin aksine, bunun nasıl meydana gelebileceğini açıklıyor.”

Makalenin ortak yazarları arasında İsviçre’deki McGill Üniversitesi ve CERN Teorik Fizik Bölümü’nden Profesör James Cline ve McGill’de fizik alanında yüksek lisans öğrencisi olan Caitlyn Dewar da yer alıyor.

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.

“Karanlık madde parçacıklarının birbirleriyle etkileşime girme olasılığı bizim yaptığımız bir varsayımdır, tüm karanlık madde modellerinin içermediği ekstra bir bileşendir,” diyor Alonso-Álvarez. “Bizim argümanımız, yalnızca bu bileşene sahip modellerin son parsek sorununu çözebileceğidir.”

Bu devasa kozmik çarpışmaların ürettiği arka plan uğultusu, 2015 yılında Lazer İnterferometre Yerçekimi Dalgası Gözlemevi’ni (LIGO) işleten astrofizikçiler tarafından ilk kez tespit edilenlerden çok daha uzun dalga boyundaki yerçekimi dalgalarından oluşuyor. Bu yerçekimi dalgaları, her ikisi de güneşin kütlesinin yaklaşık 30 katı olan iki kara deliğin birleşmesiyle üretildi.

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, pulsar zamanlama dizileri tarafından gözlemlenen kütleçekim dalgalarının spektrumunun düşük frekanslarda yumuşaması gerektiğidir,” 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.

“Çalışmamız karanlık maddenin parçacık doğasını anlamamıza yardımcı olacak yeni bir yol,” diyor Alonso-Álvarez. “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.

“Son parsek probleminin ancak karanlık madde parçacıkları galaktik ölçeklerde karanlık maddenin dağılımını değiştirebilecek bir oranda etkileşime girerse çözülebileceğini bulduk,” diyor Alonso-Álvarez. “Bu beklenmedik bir durumdu çünkü süreçlerin gerçekleştiği fiziksel ölçekler üç veya daha fazla büyüklük sırası kadar ayrı. Bu heyecan verici.”