Een nieuwe studie maakt gebruik van zelfinteragerende donkere materie om het ultieme parsec-probleem op te lossen

In een nieuwe studie hebben wetenschappers uit Canada een oplossing voorgesteld voor het ultieme parsec-probleem van superzware zwarte gaten (SMBH)-fusies met behulp van zelfinteragerende donkere materie.

Wanneer twee sterrenstelsels samensmelten, botsen gas en stof, waardoor sterren ontstaan. De sterren zelf botsen echter niet vanwege hun grote afstanden. De massieve zwarte gaten in het centrum van de twee sterrenstelsels beginnen ook samen te smelten.

Zwarte gaten stoppen echter met samensmelten wanneer de afstand tussen hen één parsec (ofwel 30,9 biljoen kilometer) bedraagt. Dit probleem staat bekend als het ultieme parsec-probleem in de astronomie en astrofysica.

de studie, gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven (PRL)Dit artikel probeert dit probleem op te lossen en het spectrum van zwaartekrachtgolven te verklaren dat in 2021 wordt waargenomen door de Pulsar Timing Array-samenwerkingen.

Phys.org sprak met de eerste auteur van het onderzoek, Dr. Gonzalo Alonso Alvarez, een postdoctoraal onderzoeker aan de Universiteit van Toronto.

Sprekend over de motivatie achter het werk van het team, zei hij: “Wat ons meer dan wat dan ook verbaasde toen de Pulsar Timing Array-samenwerkingen bewijs aankondigden van het zwaartekrachtgolfspectrum, was dat er ruimte was om nieuwe deeltjesfysica-scenario’s te testen, met name zichzelf in stand houdende donkere materie. interacties, zelfs binnen de standaard astrofysische verklaring voor het samensmelten van superzware zwarte gaten.

Waarom stoppen bij één parsec?

Wanneer massieve zwarte gaten, ontstaan ​​door de samensmelting van twee sterrenstelsels, door een parsec van elkaar worden gescheiden, zijn er twee tegengestelde dingen aan de hand.

Ten eerste veroorzaken grote objecten zoals superzware zwarte gaten rimpelingen in de ruimtetijd, waardoor zwaartekrachtsgolven ontstaan ​​die door de ruimtetijd reizen. Deze zwaartekrachtgolven voeren energie weg van de bron. Wanneer twee superzware zwarte gaten samensmelten, voeren zwaartekrachtsgolven energie weg van de samensmelting, waardoor de zwarte gaten sneller naar binnen draaien.

De tweede kracht is een wrijvingskracht die dynamische wrijving wordt genoemd. Wanneer massieve objecten zoals zwarte gaten door een medium bewegen (zoals stof en sterren), laten ze een pad van turbulente vloeistof achter, een stroom genaamd. Wanneer een schip bijvoorbeeld door water beweegt, laat het een turbulent waterpad achter; Dit is zijn pad.

Deeltjes die door de zwaartekracht naar een superzwaar zwart gat worden aangetrokken, kunnen een sleepkracht veroorzaken, wat dynamische wrijving is. Deze wrijving werkt de beweging van het massieve object tegen, waardoor het wordt gedwongen te vertragen. Als twee superzware zwarte gaten samensmelten, kan dit ertoe leiden dat ze niet meer naar elkaar toe bewegen.

“Eerdere berekeningen hebben aangetoond dat dit proces stopt wanneer de zwarte gaten ongeveer één parsec uit elkaar bewegen, een situatie die soms het uiteindelijke parsec-probleem wordt genoemd”, legt Dr. Alvarez uit.

Dit is waar dynamische wrijving een rol speelt, die de fusie van de twee superzware zwarte gaten kan tegenwerken of bevorderen.

Zelfinteragerende donkere materie

De onderzoekers suggereren dat de vorm van donkere materie de oplossing voor dit probleem kan zijn.

“In dit artikel laten we zien dat het opnemen van het voorheen over het hoofd geziene effect van donkere materie zwarte gaten kan helpen deze laatste parsec van scheiding en samensmelting te overwinnen, waardoor een zwaartekrachtgolfsignaal wordt uitgezonden dat overeenkomt met het signaal dat wordt waargenomen door de timingarrays van pulsars.” .

In een sterrenstelsel wordt donkere materie voornamelijk aangetroffen in de galactische corona, het gebied rond het zichtbare sterrenstelsel. Maar het bevindt zich ook vlakbij het hart van de Melkweg, waar het superzware zwarte gat zich bevindt. De aard van donkere materie zou dus een cruciale rol kunnen spelen bij het samensmelten van superzware zwarte gaten.

Self-interacting dark matter (SIDM) is een hypothetische vorm van donkere materie waarbij donkere materiedeeltjes met elkaar interageren via een nieuwe, onbekende kracht.

In sterrenstelsels die SIDM bevatten, kunnen interacties tussen donkere materiedeeltjes de dichtheid (verdeling) en snelheid van donkere materie beïnvloeden, wat leidt tot een efficiëntere kanalisatie van materie en energie naar het superzware zwarte gat, waardoor dynamische wrijving kan worden overwonnen.

Delicate balans

Om de rol van de SIDM bij SMBH-fusies te onderzoeken, voerden de onderzoekers gedetailleerde berekeningen uit van de profielen van de donkere materiedichtheid rond de SMBH’s van de SIDM en koude (minder interacterende) donkere materie.

Ze modelleerden ook de effecten van dynamische wrijving op de banen van superzware zwarte gaten, berekenden de energieoverdracht tussen het superzware zwarte gat en donkere materie, en voerden simulaties uit van zwaartekrachtgolfspectra onder verschillende donkere materiescenario’s.

Vervolgens vergeleken ze deze resultaten met observatiegegevens van pulsar-timingarrays.

De onderzoekers ontdekten dat de interactiedwarsdoorsnede van donkere materiedeeltjes binnen een ideaal bereik zou moeten liggen. Een grotere dwarsdoorsnede, wat frequentere interacties betekent, zorgt ervoor dat donkere materiedeeltjes op elkaar inwerken en zich verspreiden, waardoor het dichtheidsprofiel in de buurt van superzware zwarte gaten vlakker wordt.

Deze afname van de dichtheid vermindert de dynamische wrijving die nodig is om massieve zwarte gaten te laten samensmelten.

“Aan de andere kant zijn voldoende frequente zelfinteracties van de donkere materie nodig om te voorkomen dat deze spoel wordt verstrooid door de beweging van het zwarte gat”, legt dr. Alvarez uit.

Het ideale dwarsdoorsnedebereik maakt voldoende interacties mogelijk om de beweging van superzware zwarte gaten te beïnvloeden zonder de donkere materie te veel te verstrooien, waardoor er voldoende dynamische wrijving behouden blijft om het fusieproces te ondersteunen.

De onderzoekers ontdekten dat deze waarde tussen 2,5 en 25 cm lag.²/C. Dit betekent dat voor elke gram donkere materie het effectieve oppervlak waarover de deeltjes interageren tussen de 2,5 en 25 vierkante centimeter moet liggen.

Snelheidsafhankelijke reacties

De onderzoekers ontdekten ook dat de snelheid van SIDM-deeltjes optimaal moet zijn. Deze snelheid wordt op zijn beurt beïnvloed door de massa van de onbekende krachtdrager of het onbekende medium, wat de interactie tussen SIDM-deeltjes vergemakkelijkt.

Als het medium zwaar is, zou dit kunnen betekenen dat donkere materiedeeltjes alleen significant interageren als ze langzaam ten opzichte van elkaar bewegen. Omgekeerd, als het medium licht is, kunnen reacties met hogere snelheden plaatsvinden.

“Interessant genoeg heeft deze snelheidsafhankelijkheid een goede theoretische motivatie. Het is precies wat we vinden als het deeltje dat fungeert als krachtdrager voor zelfinteracties van donkere materie een massa heeft die overeenkomt met ongeveer 1% van de massa van een donkere materiedeeltje,” zei dokter Alvarez.

De onderzoekers schatten deze waarde op tussen de 300 en 600 kilometer per seconde.

Dr. Alvarez voegde hieraan toe: “Deze snelheidsafhankelijke zelfinteracties laten een afdruk achter op het spectrum van zwaartekrachtgolven, omdat wanneer zwarte gaten zich binnen een parsec van elkaar bevinden, een aanzienlijk deel van de orbitale energie verloren gaat door wrijving in de donkere materie in plaats van door zwaartekracht. golfemissie.” “Het zwaartekrachtgolfsignaal wordt dus bij sommige frequenties relatief onderdrukt in vergelijking met andere.”

Implicaties en toekomstig werk

Het model van SIDM-deeltjes van de onderzoekers voorspelde dat zwaartekrachtgolven zwakker of minder intens zouden zijn bij lagere frequenties. Deze verwachting kwam overeen met wat werd waargenomen in de feitelijke gegevens.

Ze toonden ook aan dat SIDM met snelheidsafhankelijke doorsnede het laatste parsische probleem kan oplossen en de fusie kan overleven.

Sprekend over de impact van hun werk zei Dr. donkere materie Dit biedt een nieuw venster om de aard van “Donkere materie te onderzoeken, bevindt zich in het binnenste van sterrenstelsels die voorheen niet toegankelijk waren voor observatie.”

Het team werkt ook aan het verbeteren van zijn model en het ontwikkelen van een numerieke simulatie om hun bevindingen in dit artikel te bevestigen. Deze simulaties zullen een beter begrip opleveren van de manier waarop patronen van donkere materie interageren met de energie die wordt uitgestoten door het samensmelten van zwarte gaten.

© 2024 Web van Wetenschap