Υπερμεγέθεις συγχωνεύσεις μαύρης τρύπας:Ξεδιαλύνοντας το τελικό πρόβλημα Parsec

Οι γιγάντιες τρύπες στα κέντρα των γαλαξιών δεν θα πρέπει να μπορούν να συγχωνευθούν, αλλά συγχωνεύονται. Οι επιστήμονες προτείνουν ότι μια ασυνήθιστη μορφή σκοτεινής ύλης μπορεί να είναι η λύση.

Εισαγωγή

Οι γαλαξίες έχουν συγχωνευθεί σε ολοένα μεγαλύτερες δομές κατά τη διάρκεια της κοσμικής ιστορίας. Όταν οι γαλαξίες συγχωνεύονται, οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες που βρίσκονται στο κέντρο τους πρέπει τελικά να συγχωνευθούν επίσης, σχηματίζοντας μια ακόμη πιο τεράστια μαύρη τρύπα.

Για δεκαετίες, ωστόσο, ένα ερώτημα απασχολεί τους αστροφυσικούς:Πώς μπορούν οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες να πλησιάσουν αρκετά ώστε να σπειροειδοποιηθούν και να συνενωθούν; Στους υπολογισμούς, όταν οι συγκλίνουσες τρύπες φτάσουν στο λεγόμενο τελικό parsec - μια απόσταση περίπου ενός parsec, ή 3,26 έτη φωτός - η πρόοδός τους σταματά. Θα πρέπει ουσιαστικά να περιφέρονται το ένα γύρω από το άλλο επ' αόριστον.

«Θεωρήθηκε ότι οι χρόνοι εντός των σπειρών θα μπορούσαν να είναι τόσο υψηλοί όσο… η ηλικία του σύμπαντος», δήλωσε ο Stephen Taylor, αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο Vanderbilt. "Οι άνθρωποι ανησυχούσαν ότι μπορεί να μην δημιουργηθούν μαύρες τρύπες που συγχωνεύονται."

Έχουν συγκεντρωθεί στοιχεία ότι πράγματι συγχωνεύονται. Πέρυσι, οι παρατηρήσεις των λεπτών κινήσεων των παλλόμενων αστεριών, γνωστών ως συστοιχία χρονισμού πάλσαρ, αποκάλυψαν ένα βουητό φόντου βαρυτικών κυμάτων στο σύμπαν - κυματισμούς στον ιστό του χωροχρόνου. Αυτά τα βαρυτικά κύματα πιθανότατα προέρχονται από σφιχτά σε τροχιά υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες μέσα σε ένα παρσεκ η μία από την άλλη που είναι κοντά στη συγχώνευση. «Αυτή ήταν η πρώτη μας απόδειξη ότι τα δυαδικά συστήματα της μαύρης τρύπας ξεπερνούν το τελικό πρόβλημα του παρσεκ», είπε η Λόρα Μπλέτσα, αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο της Φλόριντα.

Πώς το κάνουν λοιπόν;

Οι αστροφυσικοί έχουν μια νέα πρόταση:Η σκοτεινή ύλη θα μπορούσε να εκτονώσει τη γωνιακή ορμή από τις δύο μαύρες τρύπες και να τις φέρει πιο κοντά.

Η σκοτεινή ύλη είναι ο όρος για το μη ανακαλυφθέν 85% της ύλης στο σύμπαν. Μπορούμε να δούμε τα βαρυτικά του αποτελέσματα στους γαλαξίες και την κοσμική δομή, αλλά αυτή τη στιγμή δεν μπορούμε να καταλάβουμε τι είναι. Τα απλούστερα υποθετικά σωματίδια που θα μπορούσαν να αποτελούν αυτήν την αόρατη μορφή ύλης δεν θα βοηθούσαν στη διευκόλυνση των συγχωνεύσεων των μαύρων οπών. Αλλά αυτό το καλοκαίρι, μια ομάδα φυσικών στον Καναδά υποστήριξε ότι κάτι πιο περίπλοκο που ονομάζεται αυτο-αλληλεπιδρώντας σκοτεινή ύλη θα μπορούσε. Αυτά τα σωματίδια θα μπορούσαν να σύρουν τις υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες αρκετά ώστε να τις ρίξουν σε ένα παρσεκ το ένα από το άλλο. Εάν αυτή η εξήγηση είναι σωστή, «θα σας πει ότι η σκοτεινή ύλη δεν είναι τόσο απλή όσο νομίζαμε», δήλωσε ο Gonzalo Alonso-Álvarez, θεωρητικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Τορόντο και ένας από τους συγγραφείς.

Στη συνέχεια, τον Σεπτέμβριο, μια ξεχωριστή ομάδα φυσικών επεσήμανε ότι μια άλλη υποψήφια σκοτεινή ύλη που μερικές φορές ονομάζεται ασαφής σκοτεινή ύλη θα μπορούσε επίσης να κάνει το κόλπο.

Πιο πεζές λύσεις στο παζλ έχουν επίσης κυκλοφορήσει όλα αυτά τα χρόνια. Μέσα σε αυτό το πλήθος επιλογών —μερικές εγκόσμιες, κάποιες εξωτικές— οι επιστήμονες επινοούν τρόπους για να δοκιμάσουν τις πιθανότητες μεταξύ τους.

«Σε αυτό το σημείο θεωρείται σχεδόν δεδομένο από το μεγαλύτερο μέρος της κοινότητας ότι το πρόβλημα του τελικού παρσεκ έχει λυθεί», είπε ο Sean McWilliams, ένας θεωρητικός αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο της Δυτικής Βιρτζίνια που έχει μελετήσει διάφορες λύσεις στο πρόβλημα. "Το μόνο ερώτημα είναι:Ποιο είναι το πιο αποτελεσματικό πράγμα που το λύνει;"

Two to Tango

Μικρές μαύρες τρύπες - αντικείμενα μεγέθους αστεριού τόσο πυκνά που η βαρύτητα τους παγιδεύει οτιδήποτε πλησιάζει πολύ, ακόμα και το φως - είναι πασπαλισμένα σε όλους τους γαλαξίες. Σχηματίζονται από τη βαρυτική κατάρρευση μεμονωμένων άστρων. Αλλά οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες που βρίσκονται στα κέντρα των γαλαξιών, που μπορεί να είναι τόσο βαριές όσο δισεκατομμύρια ήλιοι, είναι πιο μυστηριώδεις και επιδρούν. Καθοδηγούν κατά κάποιο τρόπο τον σχηματισμό και την εξέλιξη του γαλαξία γύρω τους.

Όταν δύο γαλαξίες συγχωνεύονται, οι βαρυτικές αλληλεπιδράσεις με αστέρια, αέριο και σκοτεινή ύλη αναγκάζουν τις δύο υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες να πέφτουν αργά η μία προς την άλλη. Οι αστροφυσικοί περιέγραψαν για πρώτη φορά αυτή τη διαδικασία, που ονομάζεται δυναμική τριβή, το 1980. «Αυτός πιστεύεται ότι είναι ο κύριος τρόπος με τον οποίο οι μαύρες τρύπες πλησιάζουν πιο κοντά», δήλωσε ο Dan Hooper, αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο του Wisconsin, Madison.

Merrill Sherman για το Quanta Magazine

Σε ένα ορισμένο σημείο, ωστόσο - που τεχνικά κυμαίνεται από ένα κλάσμα του παρσεκ έως μερικά παρσεκ, ανάλογα με τις μάζες των μαύρων οπών - η δυναμική τριβή «αποδεικνύεται ότι σταματά να είναι πολύ αποτελεσματική», είπε ο Χούπερ. Εδώ, στο κέντρο των συγχωνευόμενων γαλαξιών, οι δύο μαύρες τρύπες τρώνε υλικό και το πετούν μακριά, σκαλίζοντας ένα κενό. Ως αποτέλεσμα, η πυκνότητα των αστεριών και των αερίων πέφτει δραματικά, αφήνοντας τις μαύρες τρύπες σε σχετικά κενό χώρο. Χωρίς πράγματα γύρω τους για να τους επιβραδύνουν, θα πρέπει στη συνέχεια να περιφέρονται το ένα γύρω από το άλλο σχεδόν ατελείωτα.

«Η Γη περιφέρεται γύρω από τον ήλιο και δεν πέφτουμε ο ένας μέσα στον άλλον», είπε ο Alonso-Álvarez, και το ίδιο θα πρέπει να ισχύει για δύο μαύρες τρύπες. "Υπάρχει μια διατήρηση της γωνιακής ορμής στην τροχιά που τους εμποδίζει να πέσουν, εκτός αν υπάρχει κάτι που εξάγει αυτήν την ενέργεια."

Η σκοτεινή ύλη που αλληλεπιδρά με τον εαυτό της θα μπορούσε να παίξει αυτόν τον ρόλο, όπως πρότειναν ο Alonso-Álvarez και οι συνεργάτες του στο Physical Review Letters τον Ιούλιο. Αυτός ο τύπος διαφέρει από τη λεγόμενη ψυχρή σκοτεινή ύλη - το απλούστερο είδος υποθετικών σωματιδίων σκοτεινής ύλης, που θα ήταν βαριά, αργά και αδρανή. Η ψυχρή σκοτεινή ύλη δεν θα αλληλεπιδράσει με τίποτα παρά μόνο μέσω της βαρύτητας, επομένως η βαρυτική επίδραση των μαύρων οπών θα πρέπει να την εκτοξεύσει από τη γύρω περιοχή πολύ πριν οι μαύρες τρύπες φτάσουν στο τελικό parsec.

Ωστόσο, η σκοτεινή ύλη που αλληλεπιδρά με τον εαυτό της αποτελείται από ελαφρά σωματίδια που ασκούν τουλάχιστον μία δύναμη μεταξύ τους. Επειδή τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης που αλληλεπιδρούν με τον εαυτό τους διασκορπίζονται το ένα από το άλλο όπως οι μπάλες του μπιλιάρδου σε ένα τραπέζι, δεν θα διασκορπίζονταν τόσο εύκολα και αντίθετα θα τραβούσαν τις φτέρνες των μαύρων τρυπών, επιβραδύνοντάς τις. «Παραμένει εκεί και δημιουργεί τριβές», είπε ο Alonso-Álvarez. "Έχει κάποιου είδους ιξώδες." Αυτή η τριβή θα μπορούσε στη συνέχεια να οδηγήσει σε μια συγχώνευση εντός 100 εκατομμυρίων ετών, λύνοντας το τελικό πρόβλημα του παρσέκ.

Η «υπερελαφριά» ή «ασαφής» σκοτεινή ύλη θα αποτελείται από σωματίδια με εξαιρετικά μικρές μάζες που θα ενώνονταν για να σχηματίσουν τεράστια κύματα. Αυτά τα σωματίδια θα συγκεντρωθούν επίσης στο γαλαξιακό κέντρο και θα βιώσουν τριβή με τις μαύρες τρύπες, επιτρέποντας στην ασαφή σκοτεινή ύλη να «παρασύρει αποτελεσματικά τη γωνιακή ορμή και την τροχιακή τους ενέργεια», δήλωσε ο Jae-Weon Lee, κοσμολόγος στο Πανεπιστήμιο Jungwon στη Νότια Κορέα και συν-συγγραφέας μιας εργασίας Σεπτεμβρίου στο Bhyems περιγράφοντας την ιδέα. Οι μαύρες τρύπες θα προκαλούσαν αυτή τη σκοτεινή ύλη να δονείται σαν καμπάνα αντί να διασκορπίζεται.

Occam’s Razor

Δεν είναι όλοι πεπεισμένοι ότι χρειάζεται να επικαλεστούμε τέτοια εξωτική φυσική για να εξηγήσουμε πώς συγχωνεύονται οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες. «Δεν θα έλεγα ότι χρειαζόμαστε τη σκοτεινή ύλη που αλληλεπιδρά με τον εαυτό μας», είπε ο Priyamvada Natarajan, θεωρητικός αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο Yale.

Μια διαφορετική πιθανότητα είναι ότι τα αστέρια θα μπορούσαν να αιωρούνται πέρα από τις συγχωνευόμενες μαύρες τρύπες και να αφαιρούν αρκετή γωνιακή ορμή για να τις ενώσουν. Ίσως τα αστέρια να έρθουν τυχαία προς την κατεύθυνση των μαύρων οπών από αλλού στον γαλαξία μέσω αλληλεπιδράσεων με άλλα αστέρια. "Εάν έχετε έναν τόνο από αυτά τα αστέρια που πλησιάζουν τις κεντρικές δύο υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες, τότε μπορείτε να εξαγάγετε όλο και περισσότερη γωνιακή ορμή", δήλωσε ο Fabio Pacucci, ένας θεωρητικός αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ.

Ωστόσο, η μοντελοποίηση έχει δείξει ότι είναι δύσκολο να διασκορπιστούν αρκετά αστέρια προς τις μαύρες τρύπες για να λυθεί το πρόβλημα του τελικού παρσεκ.

Εναλλακτικά, κάθε μαύρη τρύπα μπορεί να έχει έναν μικρό δίσκο αερίου γύρω της και αυτοί οι δίσκοι μπορεί να αντλούν υλικό από έναν ευρύτερο δίσκο που περιβάλλει την κενή περιοχή που χαράσσεται από τις τρύπες. «Οι δίσκοι γύρω τους τροφοδοτούνται από τον ευρύτερο δίσκο», είπε ο Taylor, και αυτό σημαίνει, με τη σειρά του, ότι η τροχιακή τους ενέργεια μπορεί να διαρρεύσει στον ευρύτερο δίσκο. «Φαίνεται μια πολύ αποτελεσματική λύση», είπε ο Natarajan. "Υπάρχει πολύ διαθέσιμο αέριο."

Τον Ιανουάριο, η Blecha και οι συνεργάτες της ερεύνησαν την ιδέα ότι μια τρίτη μαύρη τρύπα στο σύστημα θα μπορούσε να δώσει λύση. Σε ορισμένες περιπτώσεις όπου δύο μαύρες τρύπες έχουν σταματήσει, ένας άλλος γαλαξίας θα μπορούσε να αρχίσει να συγχωνεύεται με τις δύο πρώτες, φέρνοντας μαζί του μια επιπλέον μαύρη τρύπα. «Μπορείτε να έχετε μια ισχυρή αλληλεπίδραση τριών σωμάτων», είπε η Blecha. «Μπορεί να αφαιρέσει ενέργεια και να μειώσει σημαντικά το χρονοδιάγραμμα της συγχώνευσης». Σε ορισμένα σενάρια, η ελαφρύτερη από τις τρεις τρύπες εκτινάσσεται, αλλά σε άλλα και οι τρεις συγχωνεύονται.

Δοκιμές στον Ορίζοντα

Το καθήκον τώρα είναι να βρούμε ποια λύση είναι σωστή ή αν υπάρχουν πολλές διεργασίες.

Ο Alonso-Álvarez ελπίζει να δοκιμάσει την ιδέα του αναζητώντας ένα σήμα της σκοτεινής ύλης που αλληλεπιδρά με τον εαυτό του στα επερχόμενα δεδομένα συστοιχίας χρονισμού πάλσαρ. Μόλις οι μαύρες τρύπες πλησιάσουν πιο κοντά από το τελικό παρσέκ, ρίχνουν τη γωνιακή ορμή κυρίως εκπέμποντας βαρυτικά κύματα. Αλλά εάν η σκοτεινή ύλη που αλληλεπιδρά με τον εαυτό της παίζει, τότε θα πρέπει να τη δούμε να απορροφά μέρος της ενέργειας σε αποστάσεις γύρω από το όριο parsec. Αυτό με τη σειρά του θα δημιουργήσει λιγότερο ενεργητικά βαρυτικά κύματα, είπε ο Alonso-Álvarez.

Ο Hai-Bo Yu, σωματιδιακός φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, στο Riverside, ο οποίος είναι υπέρμαχος της αυτοαλληλεπιδρούσας σκοτεινής ύλης, είπε ότι η ιδέα είναι εύλογη. «Είναι μια λεωφόρος για να αναζητήσουμε μικροσκοπικά χαρακτηριστικά της σκοτεινής ύλης από τη φυσική των βαρυτικών κυμάτων», είπε. "Νομίζω ότι είναι απλά συναρπαστικό."

Το διαστημικό σκάφος LISA (Laser Interferometer Space Antenna) της Ευρωπαϊκής Διαστημικής Υπηρεσίας, ένα παρατηρητήριο βαρυτικών κυμάτων που πρόκειται να εκτοξευτεί το 2035, μπορεί να μας δώσει ακόμα περισσότερες απαντήσεις. Η LISA θα συλλάβει τα ισχυρά βαρυτικά κύματα που εκπέμπονται από τη συγχώνευση υπερμεγέθων μαύρων τρυπών στις τελευταίες τους ημέρες. «Με το LISA θα δούμε στην πραγματικότητα τις υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες να συγχωνεύονται», είπε ο Pacucci. Η φύση αυτού του σήματος θα μπορούσε να αποκαλύψει «ιδιαίτερα χαρακτηριστικά που δείχνουν τη διαδικασία επιβράδυνσης», λύνοντας το πρόβλημα τελικού parsec.