Supermassiva svarta hål, eller SMBH, är svarta hål med massor som är flera miljoner till miljarder gånger vår sols massa. Vintergatan är värd för en SMBH med massa några miljoner gånger solmassan. Förvånande, astrofysiska observationer visar att SMBH redan existerade när universum var mycket ungt. Till exempel, en miljard solmassa svarta hål hittas när universum bara var 6% av sin nuvarande ålder, 13,7 miljarder år. Hur uppstår dessa SMBH i det tidiga universum?

Ett team ledd av en teoretisk fysiker vid University of California, Riverside, har kommit på en förklaring:Ett massivt frösvart hål som kollapsen av en mörk materiahalo skulle kunna producera.

Mörk materia halo är gloria av osynlig materia som omger en galax eller ett kluster av galaxer. Även om mörk materia aldrig har upptäckts i laboratorier, fysiker är fortfarande övertygade om att denna mystiska materia som utgör 85 % av universums materia existerar. Om den synliga materien från en galax inte var inbäddad i en mörk materia-gloria, den här saken skulle flyga isär.

"Fysiker är förbryllade varför SMBHs i det tidiga universum, som är belägna i de centrala delarna av mörk materia halos, växa så enormt på kort tid, sa Hai-Bo Yu, en docent i fysik och astronomi vid UC Riverside, som ledde studien som förekommer i Astrofysiska tidskriftsbrev . "Det är som ett 5-årigt barn som väger, säga, 200 pund. Ett sådant barn skulle förvåna oss alla eftersom vi vet den typiska vikten för ett nyfött barn och hur snabbt det här barnet kan växa. När det gäller svarta hål, fysiker har allmänna förväntningar på massan av ett frösvart hål och dess tillväxthastighet. Närvaron av SMBHs tyder på att dessa allmänna förväntningar har brutits, kräver ny kunskap. Och det är spännande."

Ett frösvart hål är ett svart hål i dess inledande skede—liknande bebisstadiet i en människas liv.

"Vi kan tänka på två skäl, " Yu tillade. "Fröet - eller "baby" - svarta hålet är antingen mycket mer massivt eller så växer det mycket snabbare än vi trodde, eller båda. Frågan som då uppstår är vad är de fysiska mekanismerna för att producera ett tillräckligt massivt frösvart hål eller uppnå en tillräckligt snabb tillväxthastighet?"

"Det tar tid för svarta hål att växa sig massiva genom att ansamla omgivande materia, " sa medförfattaren Yi-Ming Zhong, en postdoktor vid Kavli Institute for Cosmological Physics vid University of Chicago. "Vårt papper visar att om mörk materia har självinteraktioner så kan den gravotermiska kollapsen av en halo leda till ett tillräckligt massivt frösvart hål. Dess tillväxthastighet skulle överensstämma mer med allmänna förväntningar."

Inom astrofysik, en populär mekanism som används för att förklara SMBHs är kollapsen av orörd gas i protogalaxer i det tidiga universum.

"Denna mekanism, dock, kan inte producera ett tillräckligt massivt frösvarthål för att rymma nyligen observerade SMBHs - om inte det frösvarta hålet upplevde en extremt snabb tillväxthastighet, "Sa Yu. "Vårt arbete ger en alternativ förklaring:En självinteragerande mörk materia halo upplever gravotermisk instabilitet och dess centrala region kollapsar till ett frösvart hål."

Den förklaring som Yu och hans kollegor föreslår fungerar på följande sätt:

Mörk materia partiklar samlas först under inverkan av gravitationen och bildar en mörk materia halo. Under utvecklingen av halo, två konkurrerande krafter – gravitation och tryck – verkar. Medan gravitationen drar mörk materia partiklar inåt, trycket pressar dem utåt. Om mörk materia partiklar inte har några självinteraktioner, sedan, när gravitationen drar dem mot den centrala gloria, de blir hetare, det är, de rör sig snabbare, trycket ökar effektivt, och de studsar tillbaka. Dock, i fallet med självinteragerande mörk materia, Självinteraktioner med mörk materia kan transportera värmen från dessa "hetare" partiklar till närliggande kallare. Detta gör det svårt för partiklarna av mörk materia att studsa tillbaka.

Yu förklarade att den centrala gloria, som skulle kollapsa i ett svart hål, har rörelsemängd, vilket betyder att den roterar. Självinteraktionerna kan inducera viskositet, eller "friktion, " som skingra vinkelmomentet. Under kollapsprocessen, den centrala gloria, som har en fast massa, krymper i radie och saktar ner i rotation på grund av viskositet. När utvecklingen fortsätter, den centrala gloria kollapsar så småningom till ett singulärt tillstånd:ett frösvart hål. Detta frö kan växa mer massivt genom att ansamla omgivande baryonisk eller synlig materia som gas och stjärnor.

"Fördelen med vårt scenario är att massan av fröets svarta hål kan vara hög eftersom det produceras av kollapsen av en mörk materia halo, sa Yu. det kan växa till ett supermassivt svart hål på relativt kort tid."

Det nya arbetet är nytt eftersom forskarna identifierar vikten av baryoner - vanliga atomära och molekylära partiklar - för att denna idé ska fungera.

"Först, vi visar närvaron av baryoner, som gas och stjärnor, kan avsevärt påskynda uppkomsten av den gravotermiska kollapsen av en halo och ett frösvart hål kan skapas tillräckligt tidigt, sa Wei-Xiang Feng, Yus doktorand och en medförfattare på tidningen. "Andra, vi visar att självinteraktioner kan inducera viskositet som försvinner vinkelmomentet kvarleva av den centrala halo. Tredje, vi utvecklar en metod för att undersöka tillståndet för att utlösa generell relativistisk instabilitet hos den kollapsade halo, vilket säkerställer att ett frösvart hål kan bildas om villkoret är uppfyllt."

Under det senaste decenniet, Yu har utforskat nya förutsägelser om självinteraktioner med mörk materia och deras observationskonsekvenser. Hans arbete har visat att självinteragerande mörk materia kan ge en bra förklaring till den observerade rörelsen av stjärnor och gas i galaxer.

"I många galaxer, stjärnor och gas dominerar sina centrala regioner, sa han. Alltså, det är naturligt att fråga sig hur närvaron av denna baryoniska materia påverkar kollapsprocessen. Vi visar att det kommer att påskynda uppkomsten av kollapsen. Denna egenskap är precis vad vi behöver för att förklara ursprunget till supermassiva svarta hål i det tidiga universum. Självinteraktionerna leder också till viskositet som kan skingra vinkelmomentet hos den centrala halo och ytterligare hjälpa kollapsprocessen."

Forskningsuppsatsen har titeln "Seeding Supermassive Black Holes with Self-Interacting Dark Matter:A Unified Scenario with Baryons."