Vad är ursprunget till svarta hål och hur är den frågan kopplad till ett annat mysterium, karaktären av mörk materia? Mörk materia omfattar majoriteten av materia i universum, men dess natur är fortfarande okänd.

Flera gravitationsvågdetekteringar av sammanslagna svarta hål har identifierats under de senaste åren av Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), firade med Nobelpriset i fysik 2017 till Kip Thorne, Barry Barish, och Rainer Weiss. En definitiv bekräftelse på förekomsten av svarta hål firades med Nobelpriset i fysik 2020 tilldelat Andrea Ghez, Reinhard Genzel och Roger Penrose. Att förstå ursprunget till svarta hål har således framstått som en central fråga inom fysiken.

Förvånande, LIGO har nyligen observerat en 2,6 solmassa svart hålskandidat (händelse GW190814, rapporterade i Astrofysiska tidskriftsbrev 896 (2020) 2, L44). Förutsatt att det här är ett svart hål, och inte en ovanligt massiv neutronstjärna, var kommer det ifrån?

Solmassa svarta hål är särskilt spännande, eftersom de inte förväntas från konventionell astrofysik vid stjärnutveckling. Sådana svarta hål kan uppstå i det tidiga universum (ursprungliga svarta hål) eller "transmuteras" från befintliga neutronstjärnor. Vissa svarta hål kunde ha bildats i det tidiga universum långt innan stjärnorna och galaxerna bildades. Sådana ursprungliga svarta hål kan utgöra en del eller hela mörk materia. Om en neutronstjärna fångar ett ursprungligt svart hål, det svarta hålet förbrukar neutronstjärnan inifrån, förvandla det till ett svart hål med solmassa. Denna process kan producera en population av svarta hål med solmassa, oavsett hur små de ursprungliga svarta hålen är. Andra former av mörk materia kan ackumuleras inuti en neutronstjärna och orsaka dess slutliga kollaps i ett svart hål med solmassa.

En ny studie, publicerad i Fysiska granskningsbrev , avancerar ett avgörande test för att undersöka ursprunget till solmassans svarta hål. Detta arbete leddes av Kavli -institutet för universums fysik och matematik (Kavli IPMU) Volodymyr Takhistov och det internationella teamet inkluderade George M. Fuller, Framstående professor i fysik och chef för Center for Astrophysics and Space Science vid University of California, San Diego, liksom Alexander Kusenko, Professor i fysik och astronomi vid University of California, Los Angeles och en Kavli IPMU Visiting Senior Scientist.

När studien diskuterar (se bild 1), "transmuterade" svarta hål med solmassa som återstår från neutronstjärnor som slukas av mörk materia (antingen små urhål eller svart partikelackumulering) bör följa massfördelningen av de ursprungliga värdneutronstjärnorna. Eftersom massdistributionen för neutronstjärnan förväntas nå en topp på cirka 1,5 solmassor, det är osannolikt att tyngre solmassa svarta hål har sitt ursprung i mörk materia som interagerar med neutronstjärnor. Detta tyder på att sådana händelser som kandidaten upptäckte av LIGO, om de verkligen utgör svarta hål, kan ha ursprungligt ursprung från det tidiga universum och därmed drastiskt påverka vår förståelse av astronomi. Framtida observationer kommer att använda detta test för att undersöka och identifiera ursprunget till svarta hål.

Tidigare (se Fuller, Kusenko, Takhistov Fysiska granskningsbrev 119 (2017) 6, 061101), samma internationella forskargrupp visade också att avbrott i neutronstjärnor genom små svarta hål kan leda till en mängd olika observationssignaturer och kan hjälpa oss att förstå så långvariga astronomiska pussel som ursprunget för tunga element (t.ex. guld och uran) och 511 keV gammastrålöverskott observerat från mitten av vår galax.