Ciemna materia mogła wpływać na powstawanie supermasywnych czarnych dziur we wczesnym Wszechświecie

Formowanie się supermasywnych czarnych dziur, takich jak ta znajdująca się w centrum Drogi Mlecznej, trwa bardzo długo. Zazwyczaj wymaga to wypalenia gigantycznej gwiazdy o masie co najmniej 50 mas Słońca – proces ten może trwać miliardy lat – i zapadnięcia się jej jądra. Naukowcy znaleźli wskazówki, że ciemna materia mogła wpływać na ten proces we czesnym Wszechświecie.

Jednak jak zaznaczają astronomowie, nowopowstały obiekt o masie zaledwie około 10 mas Słońca, jest daleki supermasywnym czarnym dziurom takim jak Sagittarius A*, o masie 4 milionów mas Słońca, który znajduje się w centrum Drogi Mlecznej, lub nawet cięższych – o masie miliarda mas Słońca – zaobserwowanych w innych galaktykach. Takie gigantyczne obiekty mogą powstawać z mniejszych czarnych dziur poprzez akrecję gazu i gwiazd oraz poprzez łączenie się z innymi tego typu strukturami, co zajmuje miliardy lat.

Naukowcy zastanawiają się jednak czemu Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba odkrywa supermasywne czarne dziury w odległym Wszechświecie, blisko początku czasu, eony wcześniej niż powinny się one uformować. Astrofizycy z University of California, Los Angeles (UCLA), zakładają, że było to możliwe, ponieważ ciemna materia powstrzymywała wodór przed ochłodzeniem na tyle długo, aby grawitacja skondensowała go w chmury wystarczająco duże i gęste, aby przekształcić się w czarne dziury zamiast gwiazd. Badanie na ten temat zostało opublikowane w czasopiśmie Physical Review Letters.

„Zaskakujące było znalezienie supermasywnej czarnej dziury o masie miliarda mas Słońca, gdy sam Wszechświat miał zaledwie pół miliarda lat. To tak, jakby znaleźć nowoczesny samochód wśród kości dinozaurów i zastanawiać się, kto zbudował ten samochód w czasach prehistorycznych” – mówi Alexander Kusenko z UCLA.

Niektórzy astrofizycy twierdzą, że duża chmura gazu mogłaby się zapaść, bezpośrednio tworząc supermasywną czarną dziurę, omijając długą historię spalania, akrecji i łączenia się gwiazd. Zdaniem badaczy jest jednak pewien haczyk – grawitacja rzeczywiście przyciągałaby do siebie dużą chmurę gazu, ale nie byłaby to pojedyncza struktura. Zamiast tego zbierałaby fragmenty gazu w małe aureole, które unosiłyby się blisko siebie, ale nie tworzyłyby czarnej dziury.

Powodem tego, zdaniem naukowców, byłoby zbyt szybkie ochładzanie się chmury gazu. Dopóki jest on gorący, jego ciśnienie może przeciwdziałać grawitacji. Jeśli jednak gaz się ochłodzi, ciśnienie spada, a grawitacja może zdominować wiele małych obszarów, które zapadają się w gęste obiekty, zanim jednak siła ta będzie miała szansę przyciągnąć cały obłok do pojedynczej czarnej dziury.

„To, jak szybko gaz się ochładza, ma wiele wspólnego z ilością wodoru molekularnego. Atomy wodoru związane ze sobą w cząsteczce rozpraszają energię, gdy napotykają luźny atom wodoru. Cząsteczki wodoru stają się czynnikami chłodzącymi, ponieważ pochłaniają energię cieplną i wypromieniowują ją. Chmury wodoru we wczesnym wszechświecie miały zbyt dużo wodoru molekularnego, a gaz szybko się ochładzał i tworzył małe aureole zamiast dużych chmur” – podkreśla Yifan Lu z UCLA.

Astronomowie odkryli jednak, że dodatkowe promieniowanie może podgrzać gaz i dysocjować cząsteczki wodoru, zmieniając sposób chłodzenia gazu.

„Jeśli doda się promieniowanie w pewnym zakresie energii, zniszczy ono wodór molekularny i stworzy warunki, które zapobiegną fragmentacji dużych chmur” – tłumaczy Lu.

Tylko bardzo niewielki ułamek materii we Wszechświecie to zwykła materia, która tworzy planety, gwiazdy i wszystko inne, co jest możliwe do zaobserwowania. Zdecydowana większość materii, wykrywana przez jej wpływ grawitacyjny na obiekty gwiezdne i przez zginanie promieni świetlnych z odległych źródeł, składa się z nowych cząstek, których naukowcy jeszcze nie zidentyfikowali.

Ciemna materia, jej formy i właściwości są ciągle tajemnicą dla astrofizyków. Chociaż nie wiedzą czym ona jest, teoretycy cząstek od dawna spekulują, że może ona zawierać niestabilne cząstki, które mogą rozpadać się na fotony, cząstki światła. Uwzględnienie ciemnej materii w symulacjach zapewniło promieniowanie potrzebne do utrzymania gazu w dużej chmurze, która zapadałaby się w czarną dziurę.

Ciemna materia może składać się z cząstek, które rozpadają się powoli, lub może składać się z więcej niż jednego gatunku cząstek – niektórych stabilnych i niektórych, które mogą się rozpadać. W obu przypadkach produktem rozpadu, zdaniem naukowców, może być promieniowanie w postaci fotonów, które rozbiłyby wodór cząsteczkowy i zapobiegłyby zbyt szybkiemu ochładzaniu się chmur wodoru. Nawet bardzo łagodny rozpad ciemnej materii emitowałby wystarczającą ilość promieniowania, aby zapobiec ochłodzeniu, tworząc duże chmury i ostatecznie supermasywne czarne dziury.

„To może być rozwiązanie, dlaczego supermasywne czarne dziury są znajdowane bardzo wcześnie. Może to być również odczytane jako pozytywny dowód na istnienie jednego z rodzajów ciemnej materii. Jeśli te supermasywne czarne dziury powstałyby w wyniku zapadnięcia się chmury gazu, być może wymagane dodatkowe promieniowanie musiałoby pochodzić z nieznanej fizyki ciemnego sektora” – podsumowuje Zachary Picker z UCLA.

Emil Gołoś