Ciemna materia mogła stworzyć pierwsze supermasywne czarne dziury? Nowe wyjaśnienie kosmicznej zagadki

Czy ciemna materia odpowiada za powstanie gigantycznych czarnych dziur tuż po Wielkim Wybuchu? Nowe badanie sugeruje, że energia z rozpadu tej tajemniczej substancji mogła przyspieszyć zapadanie się gazu i umożliwić narodziny kosmicznych olbrzymów, które obserwuje dziś Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba.

Ciemna materia zmienia zasady gry we wczesnym Wszechświecie

Astronomowie od dawna zastanawiają się, jak to możliwe, że gigantyczne czarne dziury – niektóre o masie nawet miliarda Słońc – mogły istnieć niespełna miliard lat po Wielkim Wybuchu. Zgodnie ze standardową teorią powstawania tych obiektów, po prostu nie powinny mieć wystarczająco dużo czasu, aby urosnąć do tak dużych rozmiarów. W ramach nowego badania naukowcy pod kierownictwem Yasha Aggarwala z University of California, Riverside odkryli, że rozpad ciemnej materii mógłby być kluczem do zrozumienia pochodzenia tych kosmicznych olbrzymów. Analizy wykazały, że energia uwalniana w wyniku rozpadu tej tajemniczej substancji mogłaby zmieniać skład chemiczny wczesnych galaktyk na tyle, by spowodować bezpośrednie zapadnięcie się niektórych z nich w czarne dziury, zamiast rozpoczęcia formowania gwiazd. Badanie zostało opublikowane w czasopiśmie „Journal of Cosmology and Astroparticle Physics”.

Skąd wzięły się supermasywne czarne dziury tak wcześnie?

Należący do NASA Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba odkrył niezwykle duże czarne dziury we wczesnym Wszechświecie, które mogły powstać w wyniku bezpośredniego zapadnięcia się. Astronomowie zakładali, że proces ten wymagał zbiegu okoliczności polegającego na naświetlaniu gazu przedgwiazdowego (pre-stellar gas) przez pobliskie gwiazdy, przez co prawdopodobnie był on niezwykle rzadki.

Jednak w nowej analizie naukowcy posłużyli się ciemną materią – tajemniczą substancją stanowiącą 85 proc. materii we Wszechświecie, która pomaga formować galaktyki. Badacze wskazali, że jeśli ciemna materia, ulegając rozpadowi, może przekazać niewielką ilość swojej energii do gazu, to może gwałtownie zwiększyć tempo jego bezpośredniego zapadania się. Każda rozpadająca się cząstka tej substancji musiałaby wyemitować jedynie niezwykle niewielką ilość energii, aby proces mógł mieć miejsce.

.„Nasze badanie sugeruje, że rozpadająca się ciemna materia mogłaby w dużym stopniu przekształcić ewolucję pierwszych gwiazd i galaktyk, co wywarłoby rozległe skutki w całym Wszechświecie. Biorąc pod uwagę, że Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba ujawnia obecnie więcej supermasywnych czarnych dziur we wczesnym Wszechświecie, mechanizm ten może pomóc wypełnić lukę między teorią a obserwacją” – mówi Yash Aggarwala z University of California, Riverside.

„Pierwsze galaktyki były w zasadzie kulami nieskazitelnego gazowego wodoru, którego chemia była niezwykle wrażliwa na zastrzyk energii w skali atomowej” – twierdzi Flip Tanedo z University of California, Riverside.

Aksjony i zapadanie się gazu

Astronomowie wymodelowali dynamikę termochemiczną gazu w obecności rozpadających aksjonów i odkryli, że okno mas (przedział wartości masy) ciemnej materii między 24 a 27 elektronowoltami mogłoby stworzyć warunki do zasiewania czarnych dziur powstałych w wyniku bezpośredniego zapadnięcia się gazu.

„Wykazaliśmy, że ciemna materia mogła sprawić, że zbieg okoliczności w postaci bezpośredniego zapadnięcia się czarnych dziur stał się znacznie bardziej prawdopodobny” – podsumował Flip Tanedo.

Emil Gołoś