W nowym badaniu wykorzystano oddziałującą ze sobą ciemną materię do rozwiązania ostatecznego problemu parseków

W nowym badaniu naukowcy z Kanady zaproponowali rozwiązanie zasadniczego problemu parseków, jakim jest łączenie się supermasywnych czarnych dziur (SMBH) z wykorzystaniem samooddziałującej ciemnej materii.

Kiedy dwie galaktyki łączą się, dochodzi do zderzenia gazu i pyłu, tworząc gwiazdy. Jednak same gwiazdy nie zderzają się ze względu na ich ogromne odległości. Masywne czarne dziury w centrach obu galaktyk również zaczynają się łączyć.

Jednak czarne dziury przestają się łączyć, gdy odległość między nimi wynosi jeden parsek (lub 30,9 biliona kilometrów). Problem ten jest znany jako ostateczny problem parseków w astronomii i astrofizyce.

badania, opublikowany W Listy z przeglądu fizycznego (PRL)W artykule podjęto próbę rozwiązania tego problemu i wyjaśnienia widma fal grawitacyjnych zaobserwowanych w 2021 roku dzięki współpracy Pulsar Timing Array.

Serwis Phys.org rozmawiał z pierwszym autorem badania, dr Gonzalo Alonso Alvarezem, pracownikiem naukowym ze stopniem doktora na Uniwersytecie w Toronto.

Mówiąc o motywacji stojącej za pracą zespołu, powiedział: „To, co zaskoczyło nas bardziej niż cokolwiek innego, gdy w ramach współpracy Pulsar Timing Array ogłoszono dowody na istnienie widma fal grawitacyjnych, to fakt, że istniały możliwości przetestowania nowych scenariuszy fizyki cząstek elementarnych, w szczególności samonapędzającej się ciemnej materii interakcje, nawet w ramach standardowego astrofizycznego wyjaśnienia łączenia się supermasywnych czarnych dziur.

Po co zatrzymywać się na jednym parseku?

Kiedy masywne czarne dziury powstałe w wyniku połączenia dwóch galaktyk dzieli parsek, w grę wchodzą dwie przeciwstawne rzeczy.

Po pierwsze, duże obiekty, takie jak supermasywne czarne dziury, powodują zmarszczki w czasoprzestrzeni, tworząc fale grawitacyjne przemieszczające się w czasoprzestrzeni. Te fale grawitacyjne przenoszą energię ze źródła. Kiedy dwie supermasywne czarne dziury łączą się, fale grawitacyjne przenoszą energię z połączenia, powodując szybszy obrót czarnych dziur do wewnątrz.

Druga siła to siła tarcia zwana tarciem dynamicznym. Kiedy masywne obiekty, takie jak czarne dziury, przemieszczają się przez ośrodek (taki jak pył i gwiazdy), pozostawiają po sobie ścieżkę turbulentnego płynu zwaną strumieniem. Na przykład, gdy statek porusza się po wodzie, pozostawia po sobie burzliwą ścieżkę wody; To jest jego droga.

Cząsteczki przyciągane przez grawitację do supermasywnej czarnej dziury mogą powodować siłę oporu, czyli tarcie dynamiczne. Tarcie to przeciwdziała ruchowi masywnego obiektu, zmuszając go do zwolnienia. Jeśli dwie supermasywne czarne dziury połączą się, może to spowodować, że przestaną się one zbliżać.

„Poprzednie obliczenia wykazały, że proces ten zatrzymuje się, gdy czarne dziury oddalają się od siebie o około jeden parsek, co jest czasami określane jako problem końcowego parseka” – wyjaśnił dr Alvarez.

Tutaj w grę wchodzi tarcie dynamiczne, które może przeciwdziałać łączeniu się dwóch supermasywnych czarnych dziur lub je ułatwiać.

Samooddziałująca ciemna materia

Naukowcy sugerują, że rozwiązaniem tego problemu może być ciemna materia.

„W tym artykule pokazujemy, że uwzględnienie wcześniej przeoczonego wpływu ciemnej materii może pomóc czarnym dziurom pokonać ostatni parsek separacji i łączenia, emitując w ten sposób sygnał fali grawitacyjnej odpowiadający temu obserwowanemu przez układy czasowe pulsarów.” – powiedział dr Alvarez .

W galaktyce ciemna materia występuje głównie w koronie galaktycznej, regionie otaczającym widzialną galaktykę. Ale znajduje się także w pobliżu serca galaktyki, gdzie znajduje się supermasywna czarna dziura. Zatem natura ciemnej materii może odgrywać kluczową rolę w łączeniu się supermasywnych czarnych dziur.

Samooddziałująca ciemna materia (SIDM) to hipotetyczna forma ciemnej materii, w której cząstki ciemnej materii oddziałują ze sobą poprzez nową, nieznaną siłę.

W galaktykach zawierających SIDM interakcje między cząstkami ciemnej materii mogą wpływać na gęstość (rozkład) i prędkość ciemnej materii, prowadząc do bardziej wydajnego kierowania materii i energii w stronę supermasywnej czarnej dziury, co może pokonać tarcie dynamiczne.

Delikatna równowaga

Aby zbadać rolę SIDM w fuzji SMBH, badacze przeprowadzili szczegółowe obliczenia profili gęstości ciemnej materii wokół SMBH SIDM i zimnej (mniej oddziałującej) ciemnej materii.

Modelowali także wpływ tarcia dynamicznego na orbity supermasywnych czarnych dziur, obliczyli transfer energii między supermasywną czarną dziurą a ciemną materią oraz przeprowadzili symulacje widm fal grawitacyjnych w różnych scenariuszach ciemnej materii.

Następnie porównali te wyniki z danymi obserwacyjnymi z układów pomiaru czasu pulsarów.

Naukowcy odkryli, że przekrój interakcji cząstek ciemnej materii powinien mieścić się w idealnym zakresie. Większy przekrój, co oznacza częstsze interakcje, powoduje, że cząstki ciemnej materii oddziałują i rozpraszają się, spłaszczając profil gęstości w pobliżu supermasywnych czarnych dziur.

To zmniejszenie gęstości zmniejsza tarcie dynamiczne potrzebne do połączenia masywnych czarnych dziur.

„Z drugiej strony potrzebne są wystarczająco częste wzajemne oddziaływania ciemnej materii, aby zapobiec rozproszeniu tej cewki w wyniku ruchu czarnej dziury” – wyjaśnia dr Alvarez.

Idealny zakres przekroju poprzecznego pozwala na wystarczającą liczbę interakcji, aby wpłynąć na ruch supermasywnych czarnych dziur bez nadmiernego rozpraszania ciemnej materii, utrzymując w ten sposób wystarczające tarcie dynamiczne, aby wspomóc proces łączenia.

Naukowcy ustalili, że wartość ta wahała się od 2,5 do 25 cm.²/C. Oznacza to, że na każdy gram ciemnej materii efektywna powierzchnia interakcji cząstek musi wynosić od 2,5 do 25 centymetrów kwadratowych.

Reakcje zależne od prędkości

Naukowcy odkryli również, że prędkość cząstek SIDM musi być optymalna. Na prędkość tę z kolei wpływa masa nieznanego nośnika siły lub ośrodka, co ułatwia interakcję pomiędzy cząstkami SIDM.

Jeśli ośrodek jest ciężki, może to oznaczać, że cząstki ciemnej materii oddziałują znacząco tylko wtedy, gdy poruszają się powoli względem siebie. I odwrotnie, jeśli medium jest lekkie, reakcje mogą zachodzić przy wyższych prędkościach.

„Co ciekawe, ta zależność od prędkości ma dobre uzasadnienie teoretyczne. Dokładnie to stwierdzamy, jeśli cząstka pełniąca rolę nośnika siły dla wewnętrznych oddziaływań ciemnej materii ma masę równą około 1% masy cząstki ciemnej materii.” — zapytał doktor Alvarez.

Naukowcy oszacowali tę wartość na 300–600 kilometrów na sekundę.

Dr Alvarez dodał: „Te zależne od prędkości wzajemne interakcje pozostawiają ślad w widmie fal grawitacyjnych, ponieważ gdy czarne dziury znajdują się w odległości kilku parseków od siebie, znaczna część energii orbity jest tracona w wyniku tarcia ciemnej materii, a nie grawitacji. emisja fal.” „Sygnał fali grawitacyjnej jest zatem stosunkowo tłumiony na niektórych częstotliwościach w porównaniu z innymi”.

Konsekwencje i przyszłe prace

Opracowany przez badaczy model cząstek SIDM przewidywał, że fale grawitacyjne będą słabsze lub mniej intensywne przy niższych częstotliwościach. Oczekiwania te pokrywały się z tym, co zaobserwowano w rzeczywistych danych.

Pokazali także, że SIDM o przekroju zależnym od prędkości może rozwiązać końcowy problem parsyczny i przetrwać połączenie.

Mówiąc o wpływie swojej pracy, dr Alvarez powiedział: „Odkryliśmy, że ewolucja orbity czarnej dziury jest bardzo wrażliwa na mikrofizykę ciemnej materii, a to oznacza, że ​​możemy wykorzystać emisję fal grawitacyjnych z układów podwójnych supermasywnych czarnych dziur do ograniczające modele ciemnej materii otwiera to nowe okno na badanie natury „Ciemna materia znajduje się we wnętrzach galaktyk, które wcześniej były niedostępne do obserwacji”.

Zespół pracuje także nad udoskonaleniem swojego modelu i opracowaniem symulacji numerycznej, aby potwierdzić ustalenia zawarte w tym artykule. Symulacje te pozwolą lepiej zrozumieć, w jaki sposób wzory ciemnej materii oddziałują z energią wypompowaną w wyniku łączenia się czarnych dziur.

© 2024 Web of Science