Bức xạ từ vật chất tối trong vũ trụ sơ khai có thể đã giúp giữ cho khí hydro đủ nóng để ngưng tụ thành lỗ đen.

• Các lỗ đen siêu lớn thường mất hàng tỷ năm để hình thành. Nhưng Kính viễn vọng Không gian James Webb Họ được tìm thấy không lâu sau đó? Vụ nổ lớn – Trước khi họ có đủ thời gian để hình thành.
• Đại học California Các nhà vật lý thiên văn đã phát hiện ra rằng nếu vật chất tối phân rã, các photon mà nó phát ra sẽ giữ cho khí hydro đủ nóng để trọng lực có thể tập hợp nó thành những đám mây khổng lồ và cuối cùng ngưng tụ nó thành một khối lượng lớn. Lỗ đen.
• Ngoài việc giải thích sự tồn tại của các lỗ đen siêu lớn từ rất sớm, khám phá này còn chứng minh sự tồn tại của một loại vật chất tối có khả năng phân hủy thành các hạt như photon.

Sự hình thành lỗ đen siêu lớn

Phải mất một thời gian dài để các lỗ đen siêu lớn, giống như lỗ đen ở trung tâm thiên hà của chúng ta, hình thành. dải ngân hà Thông thường, sự hình thành của một lỗ đen đòi hỏi một ngôi sao khổng lồ có khối lượng ít nhất bằng 50 lần khối lượng Mặt Trời để đốt cháy hết — một quá trình có thể mất hàng tỷ năm — và lõi của nó tự sụp đổ.

Tuy nhiên, lỗ đen thu được có khối lượng chỉ gấp khoảng 10 lần Mặt trời, khác xa với lỗ đen có khối lượng gấp 4 triệu lần Mặt trời được gọi là Sagittarius A*, được tìm thấy trong Dải Ngân hà của chúng ta. Hay những hố đen siêu nặng có khối lượng bằng cả tỷ lần khối lượng Mặt Trời tồn tại ở các thiên hà khác. Những lỗ đen khổng lồ như vậy có thể hình thành từ những lỗ đen nhỏ hơn thông qua sự tích tụ khí và sao, cũng như bằng cách hợp nhất với các lỗ đen khác, quá trình này phải mất hàng tỷ năm.

Những bí mật được tiết lộ bởi Kính viễn vọng Không gian James Webb

Nhưng tại sao Kính viễn vọng Không gian James Webb lại phát hiện ra các lỗ đen siêu lớn ở gần thời điểm bắt đầu, hàng nghìn năm trước khi chúng có thể hình thành? Các nhà vật lý thiên văn từ Đại học California, Los Angeles đã đưa ra câu trả lời cũng bí ẩn như chính lỗ đen: vật chất tối ngăn hydro nguội đi đủ lâu để trọng lực ngưng tụ nó thành những đám mây lớn và dày đặc để biến thành lỗ đen thay vì sao . Kết quả được công bố vào ngày 27 tháng 8 trên tạp chí Nature Communications. Thư đánh giá tài liệu.

Alexander Kosenko, giáo sư vật lý và thiên văn học tại Đại học California, Los Angeles, cho biết: “Thật sự đáng kinh ngạc khi tìm thấy một lỗ đen siêu lớn có khối lượng bằng một tỷ lần khối lượng mặt trời khi bản thân vũ trụ chỉ mới nửa tỷ năm tuổi”. và là tác giả chính của nghiên cứu, “Nó giống như việc tìm thấy một chiếc ô tô hiện đại giữa xương Khủng long và tự hỏi ai đã chế tạo chiếc ô tô đó vào thời tiền sử.”

Thử thách làm mát khí trong không gian

Một số nhà vật lý thiên văn đã đưa ra giả thuyết rằng một đám mây khí khổng lồ có thể sụp đổ để trực tiếp tạo thành một lỗ đen siêu lớn, bỏ qua lịch sử lâu dài của quá trình đốt cháy, bồi tụ và hợp nhất sao. Nhưng có một vấn đề: Trọng lực sẽ kéo một đám mây khí khổng lồ lại với nhau, nhưng không kéo thành một đám mây khổng lồ. Thay vào đó, nó thu thập các mảnh khí thành các quầng sáng nhỏ trôi gần nhau nhưng không tạo thành lỗ đen.

Nguyên nhân là do đám mây khí nguội đi rất nhanh. Miễn là khí nóng, áp suất của nó có thể chống lại trọng lực. Nhưng nếu chất khí nguội đi, áp suất giảm xuống và lực hấp dẫn có thể chiếm ưu thế ở nhiều vùng nhỏ, chúng sụp đổ thành những vật thể dày đặc trước khi trọng lực có cơ hội kéo toàn bộ đám mây vào một lỗ đen duy nhất.

Tác giả đầu tiên và nghiên cứu sinh tiến sĩ Yifan Lu cho biết: “Tốc độ làm mát của chất khí có liên quan nhiều đến lượng hydro phân tử. “Các nguyên tử hydro liên kết với nhau trong phân tử sẽ tiêu tán năng lượng khi gặp nguyên tử hydro lỏng lẻo ngô“Các phân tử hydro trở thành tác nhân làm mát vì chúng hấp thụ năng lượng nhiệt và tỏa nhiệt ra xa. Các đám mây hydro trong vũ trụ sơ khai chứa rất nhiều hydro phân tử, và chất khí nguội đi nhanh chóng và hình thành các quầng sáng nhỏ thay vì các đám mây lớn.”

Lu và nhà nghiên cứu sau tiến sĩ Zachary Becker đã viết mã để tính toán tất cả các quá trình có thể xảy ra cho kịch bản này và phát hiện ra rằng bức xạ bổ sung có thể làm nóng khí và tách các phân tử hydro, thay đổi cách khí nguội đi.

Lu nói thêm: “Nếu bạn thêm bức xạ vào một phạm vi năng lượng nhất định, nó sẽ phá hủy hydro phân tử và tạo ra điều kiện ngăn cản sự tan vỡ của các đám mây lớn”.

Vai trò của vật chất tối trong sự hình thành lỗ đen

Nhưng bức xạ đến từ đâu?

Một phần rất nhỏ của vật chất trong vũ trụ là loại tạo nên cơ thể chúng ta, hành tinh của chúng ta, các ngôi sao và mọi thứ khác mà chúng ta có thể quan sát được. Trên thực tế, phần lớn vật chất, có thể được quan sát thông qua tác động hấp dẫn của nó lên các thiên thể và thông qua sự bẻ cong của các tia sáng đến từ các nguồn ở xa, bao gồm một số hạt mới mà các nhà khoa học vẫn chưa thể xác định được.

Hình dạng và tính chất của vật chất tối là một bí ẩn vẫn chưa được giải quyết. Mặc dù chúng ta không biết vật chất tối là gì, nhưng các nhà khoa học hạt từ lâu đã tưởng tượng rằng nó có thể chứa những hạt không ổn định có thể phân hủy thành photon, hạt ánh sáng. Việc đưa vật chất tối như vậy vào mô phỏng đã cung cấp bức xạ cần thiết để khí tồn tại trong một đám mây lớn khi nó sụp đổ thành một lỗ đen.

Vật chất tối có thể được tạo thành từ các hạt phân rã chậm hoặc nó có thể được tạo thành từ nhiều hạt Phân loạiMột số ổn định và một số phân hủy sớm. Trong cả hai trường hợp, sản phẩm phân rã có thể là bức xạ ở dạng photon, chúng phá vỡ hydro phân tử và ngăn cản các đám mây hydro nguội đi quá nhanh. Ngay cả sự phân rã rất nhẹ của vật chất tối cũng tạo ra đủ bức xạ để ngăn chặn sự nguội đi, ngăn chặn sự hình thành các đám mây lớn và cuối cùng là các lỗ đen siêu lớn.

Becker nói: “Đây có thể là câu trả lời cho lý do tại sao các lỗ đen siêu lớn được phát hiện sớm như vậy”. do sự sụp đổ của một đám mây khí, có lẽ họ nên… Bức xạ bổ sung cần thiết sẽ đến từ cơ chế vật lý chưa biết của khu vực tối.”

Tham khảo: “Sự sụp đổ trực tiếp của các lỗ đen siêu lớn do sự phân hủy của các hạt còn sót lại” của Yifan Lu, Zachary S.C. Baker và Alexander Kosenko, ngày 27 tháng 8 năm 2024, Thư đánh giá tài liệu.
doi: 10.1103/PhysRevLett.133.091001