Karanlık madde erken evrende süper kütleli kara deliklerin oluşmasına yardımcı olmuş olabilir

Samanyolu galaksimizin merkezindeki gibi süper kütleli kara deliklerin oluşması uzun zaman alır. 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.

Peki, James Webb Uzay Teleskobu neden zamanın başlangıcında, oluşabilmeleri gereken çağlardan çok önce, süper kütleli kara delikleri keşfediyor? UCLA astrofizikçilerinin 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. Bulgu şu şekilde: yayınlandı dergide 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.”

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 dağıtırlar. 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.

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 parçacık türünden oluşabilir: bazıları kararlı ve bazıları erken zamanlarda bozunur. Her iki durumda da bozunmanın ürünü, moleküler hidrojeni parçalayan ve hidrojen bulutlarının çok hızlı soğumasını önleyen fotonlar biçiminde radyasyon olabilir. Karanlık maddenin çok hafif bozunması bile soğumayı önleyecek kadar radyasyon üreterek büyük bulutlar ve sonunda süper kütleli kara delikler oluşturdu.

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 bir kanıt olarak da okuyabilirsiniz. Eğer bu süper kütleli kara delikler bir gaz bulutunun çökmesiyle oluşmuşsa, belki de gereken ek radyasyon karanlık sektörün bilinmeyen fiziğinden gelmek zorunda kalacaktır.”