19 januari 2021

Astronomen doen onderzoek naar vorming ultra-massieve zwarte gaten en hun mogelijke link met donkere materie

Recent kosmologisch onderzoek uitgevoerd door een groot internationaal team van de Queen Mary Universiteit, Londen i.s.m. het Lüdwig Maximilians Universiteit te München en de Universiteit van Amsterdam, heeft studie gedaan naar de potentiële aanwezigheid in het heelal van ultra-massieve zwarte gaten (Eng. stupendously large black holes) kortweg SLAB’s genoemd, hun vorming en een mogelijke link m.b.t. donkere materie. Zwarte gaten zijn er in meerdere soorten, stellaire zwarte gaten, zijn van origine supernovae resten, en wegen meerdere zonsmassa’s. De super-massieve zwarte gaten (SMBH) in intergalactische nuclei kunnen wel miljoenen zonsmassa’s zijn. Sluitend bewijs voor het bestaan van de SMBH’s is er afdoende, zo is er bv de Sagittarius A* ( 4×106 M) die zetelt in onze Melkweg, en ook zijn er SMBH’s in de intergalactische ruimte. Dat er een natuurlijke bovengrens is aan de massagrootte van deze SMBH’s is ook theoretisch bewezen. Het team stelt: “Als de SMBH te groot is, houdt deze op te groeien daar de schijf te massief wordt en fragmenteert onder zelfzwaartekracht. Dit leidt tot een strikte bovengrens voor de massa van SMBH’s als functie van kosmische tijd en spin” De onderzoeksdata laat de mogelijkheid open dat er nog grotere, de SLAB’s kunnen bestaan, en dit was tevens de motivatie voor het hele onderzoek.

Sagittarius A* Credits; Chandra X-ray / NASA

Zijn SLAB’s er überhaupt en zo ja, hoe groot worden ze? Het team schreef het 19 pagina’s lange, wetenschappelijk artikel Stupendously Large Black Holes (SLABs) welke boven de 1011 zonsmassa’s komen*. Theoretisch natuurkundige Florian Kühnel e.v.a. onderzochten hoe deze SLAB’s zich kunnen vormen, welke te observeren effecten ze zouden kunnen veroorzaken en of ze meer inzicht in donkere materie kunnen geven.

De SLAB’s zijn zwarte gaten in de overtreffende trap. De grote SLAB’s zouden de ‘high-mass tail’, kunnen vormen van de SMBH’s (super massive black holes) en zouden mogelijk ook in de intergalactische ruimte voorkomen. Kühnel benadrukt dat het SLAB onderzoek door de tijd heen enigszins onderbelicht is gebleven, en dat men extrapoleert van de beschikbare data over deze SMBH’s waaruit blijkt dat ze in theorie  kunnen bestaan. Kühnel: “Hoewel de meest natuurlijke aanname is dat SLAB’s de ‘high-mass tail’ vertegenwoordigen van de populatie van SMBH’s intergalactische kernen, houden we ook rekening met de mogelijkheid dat ze in de intergalactische ruimte zouden kunnen bestaan. Er is momenteel geen bewijs voor dergelijke objecten, maar het bestaan ervan vereist slechts een kleine extrapolatie van de beschikbare gegevens, dus het lijkt verrassend dat deze mogelijkheid in de literatuur is verwaarloosd.”

Het team bespreekt twee manieren van mogelijke vorming van SMBH’s, en wel een ontstaan vóór, of ná het ontstaan van het gaststerrenstelsel. In het laatste geval verzamelt een gemiddelde SMBH grote hoeveelheden materiaal om door te groeien tot SLAB-formaat. echter, wanneer een zwart gat zich voedt met gas, vormt de invallende materie een accretieschrijf eromheen. Deze schijf is extreem heet en geeft daarom een sterke röntgenstraling af. Men ziet geen enkele emissie-aanpassing aan de accretieschijven van SLAB’s, dus de auteurs concluderen dat het waarschijnlijker is dat SLAB’s zich vóór hun gaststelsels zouden vormen en wel uit primordiale of oer-zwarte gaten (PBHs). PBH’s zijn zwarte gaten gevormd door schommelingen in de dichtheid in het zeer vroege heelal. Sommige van deze fluctuaties, die in de loop van de tijd ook aanleiding gaven tot de huidige sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels, zouden onder hun zelfzwaartekracht kunnen zijn ingestort en zo PBH’s hebben gevormd. Ze zijn (nog) niet bevestigd, maar zijn een kandidaat voor donkere materie. Een verscheidenheid aan verschillende waarnemingen beperken de mogelijke massa’s van PBH’s tot vier verschillende regimes: asteroïdegrootte (massa tussen 1016 g en 1018 g), maangrootte (massa tussen 1020 g en 1024 g), tussenmaat (massa tussen enkele en honderden zonsmassa’s) en SLAB-grootte (boven 1019 zonsmassa’s). Bijgevolg kunnen SLAB’s zeer massieve PBH’s zijn of iets kleinere PBH’s die wat massa hebben opgebouwd.

Gravitatielenswerking door een zwart gat als de aarde zich direct achter een zwart gat bevond. Dan ziet de waarnemer meerdere beelden, daar zijn lichtstralen vervormd zijn. Een soortgelijk effect doet zich voor bij sterrenstelsels achter SLAB’s.Credits; JIla/Colorado.edu

Het team bespreekt drie manier van SLAB detectie; zwaartekrachtlenzwerking, dynamische effecten en opwarming door accretie. Het eerste effect, zwaartekrachtlenswerking, treedt op daar de SLAB’s lichtstralen vervormen. Bijgevolg treedt beeldvervorming van achtergrondobjecten op. Menig onderzoek in optisch en radiogolflengte bestudeerde beelden van quasars veroorzaakt door zwarte gaten. De afstand tussen de beelden van dezelfde bron geeft een schatting van de massa van het zwarte gat, en het aantal meerbeelddetecties geeft een bovengrens aan het aantal zwarte gaten. Hieruit schatten de auteurs een bovengrens voor de overvloed aan SLAB’s. Het dynamisch effect ontstaat daar de massa van de SLAB’s sterrenstelsels en de kosmische structuur als geheel beinvloedt. Als de SLAB’s een bepaalde massa en getalsdichtheid overschrijden, kunnen ze sterrenstelsels getijden verstoren. Waarnemingen in de Virgo-cluster brachten echter geen sterrenstelsels aan het licht die mogelijk door SLAB’s waren verstoord. De massa en het aantal SLAB’s moeten daarom klein genoeg zijn, zodat geen van de meer dan duizend sterrenstelsels in de cluster een dergelijke verstoring ervaart. Dienovereenkomstig kunnen de auteurs een bovengrens stellen aan het aantal SLAB’s. Tenslotte is het derde type effect dat van SLAB’s wordt verwacht, opwarming vanwege accretie. Daar zwarte gaten zich voeden met gas, zenden ze straling uit. Deze straling verwarmt het heelal en zou zichtbaar zijn op de röntgenachtergrond. Omdat we dit effect niet detecteren, zijn verdere beperkingen op de overvloed aan SLAB’s mogelijk.

De auteurs bevestigen noch verwerpen het bestaan van SLAB’s, maar geven bovengrenzen aan, ze stellen dat SLAB’s zo groot kunnen zijn als 1019 zonsmassa’s. Desalniettemin toonden ze aan dat de ontdekking van een SLAB de theorie van PBH’s zou ondersteunen, die een veelbelovend creatiemechanisme voor SLAB’s opleveren. Een dergelijke ontdekking zou licht kunnen werpen op de aard van donkere materie. SLAB’s zelf zijn te massief om een overtuigende kandidaat voor donkere materie te zijn, omdat een enkele SLAB massiever zou zijn dan sommige waargenomen halo’s van donkere materie. Omdat de detectie van een SLAB echter het bestaan van PBH’s zou ondersteunen, zouden kleinere PBH’s die bijdragen aan de donkere materie waarschijnlijker zijn. Hoewel er geen definitief bewijs is dat PBH’s de donkere materie leveren, is er een enorme literatuur over hun bijdrage aan de donkere dichtheid, deze worden geassocieerd met een breed scala aan effecten, waaronder zwaartekrachtlenswerking. Bronnen: Sciencealert/Astrobites

*https://arxiv.org/pdf/2008.08077.pdf

Speak Your Mind

*

Deze website gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.