¿Cómo se volvieron supermasivos los agujeros negros?

Breve diagrama de las restricciones y regiones preferidas de nuestro modelo en el plano de bloque del eje SMBH. El área verde muestra las masas SMBH observadas en corrimiento al rojo -6-7. El área azul corresponde a una limitación de la superradiancia BH (BHSR), el área gris muestra la limitación de las mediciones del bosque Lyman-α, y en el área roja, la longitud de onda de DM excede las estructuras de DM observadas más pequeñas, lo que proporciona un límite inferior en el Bloque DM (ver texto principal para más detalles) . Las regiones naranja y violeta proporcionan dos escenarios estándar para la relación entre la masa del axión y la masa SMBH primitiva dada en la ecuación. (5) con r_a= 10¹⁷ GeV (púrpura) y f_a= 10¹⁸ GeV (naranja). La intensidad del color representa una disminución en ϵ′ de 1 a 0,01. crédito: Cartas de revisión física (2022). DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.081101

Los agujeros negros son uno de los misterios más apremiantes del universo. Nada, ni siquiera la luz, puede escapar del agujero negro. Y en el centro de casi todas las galaxias hay un agujero negro supermasivo de millones a miles de millones de veces la masa del Sol. Comprender los agujeros negros y cómo se vuelven supermasivos podría arrojar luz sobre la evolución del universo.

Tres físicos En el Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), desarrolló recientemente un modelo para explicar la formación de agujeros negros supermasivos, así como la naturaleza de otro fenómeno: materia oscura. En un artículo publicado en Cartas de revisión físicalos físicos teóricos Humman Davidisel, Peter Denton y Julia Guerlain describen un cambio de fase cósmico que facilitó la formación de agujeros negros supermasivos en un sector oscuro de siendo.

La transición de fase cósmica es similar a un tipo más común de transición de fase: hacer hervir el agua. Cuando el agua alcanza la temperatura correcta exacta, se convierte en burbujas y vapor. Imagine que el proceso ocurre en un estado primitivo de la materia. Luego, gire el proceso en la dirección opuesta para que tenga un efecto de enfriamiento y amplíelo a la escala cósmica.

Peter Denton dijo: «Antes de que existieran las galaxias, el universo era caliente y denso, y esto está bien establecido. Cómo se enfrió el universo hasta lo que observamos hoy es una pregunta interesante porque no tenemos datos empíricos que describan cómo sucedió». . «Podemos predecir lo que sucedió con las partículas conocidas porque interactúan muy a menudo. Pero, ¿y si hubiera partículas desconocidas hasta ahora que actúan de manera diferente?»

Para explorar esta pregunta, el equipo de Brookhaven ha desarrollado un modelo para un sector oscuro del universo, en el que abundan las partículas no detectadas y rara vez interactúan. Entre estas partículas puede haber materia oscura muy ligera, que se espera que sea 28 veces más ligera que un protón. La materia oscura nunca se ha observado directamente, pero los físicos creen que constituye la mayor parte de la materia del universo en función de sus efectos gravitacionales.

«La frecuencia de las interacciones de partículas conocidas sugiere que la materia, tal como la conocemos, no se habría transformado en agujeros negros de manera muy eficiente», dijo Denton. “Pero, si hay un sector oscuro con materia oscura muy clara, entonces universo primitivo Ella pudo haber tenido las condiciones adecuadas para una forma altamente efectiva de colapso».

Observaciones recientes han sugerido que los agujeros negros supermasivos se formaron en el universo primitivo, mucho antes de lo que pensaban los físicos. Este resultado deja poco tiempo para explicar el crecimiento agujeros negros supermasivos. Los físicos saben que los agujeros negros ganan masa principalmente por dos medios. Un método, llamado acreción, es cuando la materia, principalmente polvo, cae en agujeros negros. Pero hay un límite en la rapidez con la que la materia puede acumularse en los agujeros negros a través de la acreción. El segundo método es a través de colisiones galácticas, durante las cuales dos agujeros negros pueden fusionarse; Sin embargo, en el universo primitivo, las galaxias recién comenzaban a formarse. Por lo tanto, los físicos se quedaron preguntándose cómo crecieron tan rápidamente estas antiguas maravillas cósmicas. La pieza que falta puede ser partículas de materia oscura ultraligeras.

“Hemos teorizado cómo las partículas en el sector oscuro pueden pasar por una transición de fase que permite que la materia colapse de manera muy eficiente. agujeros negrosdijo Dentón. Cuando la temperatura del universo es la correcta, la presión puede caer repentinamente a un nivel muy bajo, lo que permite que la gravedad tome el control y Cosa Colapsar. Nuestra comprensión de las partículas conocidas sugiere que este proceso normalmente no ocurriría».

Tal cambio de fase sería un evento dramático, incluso para algo tan asombroso como el universo.

“Estos colapsos son un gran problema, emiten ondas gravitacionales«Estas ondas tienen una forma distinta, por lo que estamos prediciendo esta señal y su ancho de banda esperado», dijo Denton.

Los experimentos actuales de ondas gravitacionales no son lo suficientemente sensibles para validar la teoría, pero los experimentos de próxima generación pueden detectar las señales de esas ondas. Según la forma característica de las ondas, los físicos pueden reducir los detalles agujero negro gigante formación – composición. Hasta entonces, los teóricos de Brookhaven continuarán evaluando los nuevos datos y refinando su modelo.