Eine neue Studie nutzt selbstwechselwirkende Dunkle Materie, um das ultimative Parsec-Problem zu lösen

In einer neuen Studie haben Wissenschaftler aus Kanada eine Lösung für das ultimative Parsec-Problem der Verschmelzung supermassiver Schwarzer Löcher (SMBH) unter Verwendung selbstwechselwirkender Dunkler Materie vorgeschlagen.

Wenn zwei Galaxien verschmelzen, kollidieren Gas und Staub und es entstehen Sterne. Allerdings kollidieren die Sterne selbst aufgrund ihrer großen Entfernung nicht. Auch die massereichen Schwarzen Löcher im Zentrum der beiden Galaxien beginnen zu verschmelzen.

Schwarze Löcher hören jedoch auf zu verschmelzen, wenn der Abstand zwischen ihnen einen Parsec (oder 30,9 Billionen Kilometer) beträgt. Dieses Problem ist in der Astronomie und Astrophysik als das ultimative Parsec-Problem bekannt.

die Studie, veröffentlicht In Briefe zur körperlichen Untersuchung (PRL)Dieser Artikel versucht, dieses Problem zu lösen und das Spektrum der Gravitationswellen zu erklären, die im Jahr 2021 von den Pulsar Timing Array-Kollaborationen beobachtet wurden.

Phys.org sprach mit dem Erstautor der Studie, Dr. Gonzalo Alonso Alvarez, einem Postdoktoranden an der University of Toronto.

Über die Motivation hinter der Arbeit des Teams sagte er: „Was uns mehr als alles andere überraschte, als die Pulsar Timing Array-Kollaborationen Beweise für das Gravitationswellenspektrum bekannt gaben, war, dass es Möglichkeiten gab, neue Szenarien der Teilchenphysik zu testen, insbesondere sich selbst erhaltende Dunkle Materie.“ Wechselwirkungen, sogar innerhalb der astrophysikalischen Standarderklärung für die Verschmelzung supermassereicher Schwarzer Löcher.

Warum bei einem Parsec aufhören?

Wenn massereiche Schwarze Löcher, die durch die Verschmelzung zweier Galaxien entstanden sind, durch einen Parsec voneinander getrennt sind, spielen zwei gegensätzliche Dinge eine Rolle.

Erstens verursachen große Objekte wie supermassereiche Schwarze Löcher Wellen in der Raumzeit und erzeugen Gravitationswellen, die sich durch die Raumzeit ausbreiten. Diese Gravitationswellen transportieren Energie von der Quelle weg. Wenn zwei supermassereiche Schwarze Löcher verschmelzen, transportieren Gravitationswellen Energie von der Verschmelzung weg, wodurch sich die Schwarzen Löcher schneller nach innen drehen.

Die zweite Kraft ist eine Reibungskraft, die dynamische Reibung genannt wird. Wenn sich massereiche Objekte wie Schwarze Löcher durch ein Medium (wie Staub und Sterne) bewegen, hinterlassen sie einen Weg turbulenter Flüssigkeit, den sogenannten Strom. Wenn sich beispielsweise ein Schiff durch Wasser bewegt, hinterlässt es eine turbulente Wasserbahn; Das ist sein Weg.

Teilchen, die durch die Schwerkraft von einem supermassereichen Schwarzen Loch angezogen werden, können eine Widerstandskraft, also dynamische Reibung, verursachen. Diese Reibung wirkt der Bewegung des massiven Objekts entgegen und zwingt es, langsamer zu werden. Wenn zwei supermassereiche Schwarze Löcher verschmelzen, könnte dies dazu führen, dass sie sich nicht mehr aufeinander zu bewegen.

„Frühere Berechnungen ergaben, dass dieser Prozess stoppt, wenn sich die Schwarzen Löcher etwa einen Parsec voneinander entfernen, eine Situation, die manchmal als letztes Parsec-Problem bezeichnet wird“, erklärte Dr. Alvarez.

Hier kommt die dynamische Reibung ins Spiel, die der Verschmelzung der beiden supermassereichen Schwarzen Löcher entweder entgegenwirken oder sie unterstützen kann.

Selbstwechselwirkende dunkle Materie

Die Forscher vermuten, dass die Form der Dunklen Materie die Lösung für dieses Problem sein könnte.

„In diesem Artikel zeigen wir, dass die Einbeziehung des bisher übersehenen Effekts der Dunklen Materie dazu beitragen kann, dass Schwarze Löcher diesen letzten Teil der Trennung und Verschmelzung überwinden und so ein Gravitationswellensignal aussenden, das mit dem übereinstimmt, das von den Pulsar-Arrays beobachtet wird“, sagte Dr. Alvarez .

In einer Galaxie kommt dunkle Materie hauptsächlich in der galaktischen Korona vor, der Region, die die sichtbare Galaxie umgibt. Es befindet sich aber auch in der Nähe des Herzens der Galaxie, wo sich das supermassereiche Schwarze Loch befindet. Somit könnte die Natur der Dunklen Materie eine entscheidende Rolle bei der Verschmelzung supermassereicher Schwarzer Löcher spielen.

Selbstinteragierende Dunkle Materie (SIDM) ist eine hypothetische Form der Dunklen Materie, bei der Teilchen der Dunklen Materie durch eine neue, unbekannte Kraft miteinander interagieren.

In Galaxien, die SIDM enthalten, können Wechselwirkungen zwischen Teilchen der Dunklen Materie die Dichte (Verteilung) und Geschwindigkeit der Dunklen Materie beeinflussen, was zu einer effizienteren Kanalisierung von Materie und Energie in Richtung des supermassereichen Schwarzen Lochs führt, wodurch dynamische Reibung überwunden werden kann.

Empfindliche Gleichgewicht

Um die Rolle des SIDM bei SMBH-Fusionen zu untersuchen, führten die Forscher detaillierte Berechnungen der Dichteprofile der Dunklen Materie um die SMBHs des SIDM und der kalten (weniger wechselwirkenden) Dunklen Materie durch.

Sie modellierten auch die Auswirkungen der dynamischen Reibung auf die Umlaufbahnen supermassereicher Schwarzer Löcher, berechneten den Energietransfer zwischen dem supermassereichen Schwarzen Loch und der Dunklen Materie und führten Simulationen von Gravitationswellenspektren unter verschiedenen Szenarien der Dunklen Materie durch.

Anschließend verglichen sie diese Ergebnisse mit Beobachtungsdaten von Pulsar-Timing-Arrays.

Die Forscher fanden heraus, dass der Wechselwirkungsquerschnitt der Teilchen der Dunklen Materie in einem idealen Bereich liegen sollte. Ein größerer Querschnitt, der häufigere Wechselwirkungen bedeutet, führt dazu, dass Teilchen der Dunklen Materie interagieren und streuen, wodurch das Dichteprofil in der Nähe supermassereicher Schwarzer Löcher abgeflacht wird.

Diese Abnahme der Dichte verringert die dynamische Reibung, die für die Verschmelzung massiver Schwarzer Löcher erforderlich ist.

„Andererseits sind ausreichend häufige Selbstwechselwirkungen der Dunklen Materie erforderlich, um zu verhindern, dass diese Spule durch die Bewegung des Schwarzen Lochs gestreut wird“, erklärte Dr. Alvarez.

Der ideale Querschnittsbereich ermöglicht genügend Wechselwirkungen, um die Bewegung supermassiver Schwarzer Löcher zu beeinflussen, ohne die Dunkle Materie zu stark zu streuen, wodurch genügend dynamische Reibung aufrechterhalten wird, um den Verschmelzungsprozess zu unterstützen.

Die Forscher fanden heraus, dass dieser Wert zwischen 2,5 und 25 cm lag.²/C. Das bedeutet, dass für jedes Gramm Dunkle Materie die effektive Fläche, über die die Teilchen interagieren, zwischen 2,5 und 25 Quadratzentimeter betragen muss.

Geschwindigkeitsabhängige Reaktionen

Die Forscher fanden außerdem heraus, dass die Geschwindigkeit der SIDM-Partikel optimal sein muss. Diese Geschwindigkeit wird wiederum von der Masse des unbekannten Kraftträgers oder Mediums beeinflusst, was die Wechselwirkung zwischen SIDM-Partikeln erleichtert.

Wenn das Medium schwer ist, könnte dies bedeuten, dass Teilchen der Dunklen Materie nur dann signifikant interagieren, wenn sie sich langsam relativ zueinander bewegen. Ist das Medium hingegen leicht, können Reaktionen mit höheren Geschwindigkeiten ablaufen.

„Interessanterweise hat diese Geschwindigkeitsabhängigkeit eine gute theoretische Begründung. Genau das finden wir, wenn das Teilchen, das als Kraftträger für die Selbstwechselwirkungen der Dunklen Materie fungiert, eine Masse hat, die etwa 1 % der Masse eines Teilchens der Dunklen Materie entspricht.“ sagte Dr. Alvarez.

Die Forscher schätzten diesen Wert auf 300 bis 600 Kilometer pro Sekunde.

Dr. Alvarez fügte hinzu: „Diese geschwindigkeitsabhängigen Selbstwechselwirkungen hinterlassen Spuren im Spektrum der Gravitationswellen, denn wenn Schwarze Löcher nur wenige Parsec voneinander entfernt sind, geht ein erheblicher Teil der Orbitalenergie durch die Reibung der Dunklen Materie und nicht durch die Gravitation verloren.“ „Das Gravitationswellensignal wird daher bei einigen Frequenzen im Vergleich zu anderen relativ unterdrückt.“

Implikationen und zukünftige Arbeit

Das SIDM-Teilchenmodell der Forscher sagte voraus, dass Gravitationswellen bei niedrigeren Frequenzen schwächer oder weniger intensiv sein würden. Diese Erwartung stimmte mit dem überein, was in den tatsächlichen Daten beobachtet wurde.

Sie zeigten auch, dass SIDM mit geschwindigkeitsabhängigem Querschnitt das endgültige Parsic-Problem lösen und die Fusion überleben kann.

Über die Auswirkungen ihrer Arbeit sagte Dr. Alvarez: „Wir haben herausgefunden, dass die Entwicklung der Umlaufbahn eines Schwarzen Lochs sehr empfindlich von der Mikrophysik der Dunklen Materie abhängt, und das bedeutet, dass wir die Gravitationswellenemission von supermassiven Doppelsternen von Schwarzen Löchern nutzen können.“ Dies bietet ein neues Fenster zur Erforschung der Natur von „Dunkle Materie befindet sich im Inneren von Galaxien, die bisher für die Beobachtung unzugänglich waren.“

Das Team arbeitet außerdem daran, sein Modell zu verbessern und eine numerische Simulation zu entwickeln, um die Ergebnisse in diesem Artikel zu bestätigen. Diese Simulationen werden ein besseres Verständnis dafür liefern, wie Muster dunkler Materie mit der Energie interagieren, die durch die Verschmelzung schwarzer Löcher abgepumpt wird.

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