Bagaimana lubang hitam bisa menjadi begitu besar dan cepat? Jawabannya terletak pada kegelapan

Radiasi dari materi gelap di awal alam semesta mungkin telah membantu menjaga gas hidrogen cukup panas untuk berkondensasi menjadi lubang hitam.

• Lubang hitam supermasif biasanya membutuhkan waktu miliaran tahun untuk terbentuk. Tetapi Teleskop Luar Angkasa James Webb Apakah mereka ditemukan tidak lama kemudian? Ledakan besar – Sebelumnya mereka punya cukup waktu untuk terbentuk.
• Universitas Kalifornia Para ahli astrofisika telah menemukan bahwa jika materi gelap meluruh, foton yang dipancarkannya akan menjaga gas hidrogen tetap panas sehingga gravitasi dapat mengumpulkannya menjadi awan raksasa dan akhirnya memadatkannya menjadi massa yang sangat besar. Lubang hitam.
• Selain menjelaskan keberadaan lubang hitam supermasif yang sangat awal, penemuan ini mendukung keberadaan sejenis materi gelap yang mampu meluruh menjadi partikel seperti foton.

Pembentukan lubang hitam supermasif

Dibutuhkan waktu lama untuk terbentuknya lubang hitam supermasif, seperti yang ada di pusat galaksi kita. Bimasakti Biasanya, lahirnya lubang hitam membutuhkan sebuah bintang raksasa dengan massa setidaknya 50 massa matahari untuk terbakar habis—sebuah proses yang bisa memakan waktu satu miliar tahun—dan intinya akan runtuh dengan sendirinya.

Namun, lubang hitam yang dihasilkan, yang massanya hanya sekitar 10 kali massa Matahari, jauh berbeda dengan lubang hitam bermassa 4 juta matahari yang dikenal sebagai Sagitarius A*, yang ditemukan di Galaksi Bima Sakti kita. . Atau lubang hitam supermasif bermassa satu miliar massa matahari yang ada di galaksi lain. Lubang hitam raksasa tersebut dapat terbentuk dari lubang hitam yang lebih kecil melalui akumulasi gas dan bintang, dan melalui penggabungan dengan lubang hitam lainnya, yang memakan waktu miliaran tahun.

Rahasia diungkap oleh Teleskop Luar Angkasa James Webb

Namun mengapa Teleskop Luar Angkasa James Webb mendeteksi lubang hitam supermasif pada awal waktu, ribuan tahun sebelum lubang hitam tersebut terbentuk? Ahli astrofisika dari Universitas California di Los Angeles telah menemukan jawaban yang sama misteriusnya dengan lubang hitam itu sendiri: Materi gelap mencegah hidrogen mendingin cukup lama sehingga gravitasi dapat mengembunkannya menjadi awan yang besar dan cukup padat untuk berubah menjadi lubang hitam, bukan bintang. . Hasilnya dipublikasikan pada 27 Agustus di jurnal Nature Communications. Surat ulasan materi.

“Sungguh menakjubkan menemukan lubang hitam supermasif dengan massa satu miliar massa matahari ketika alam semesta baru berusia setengah miliar tahun,” kata Alexander Kosenko, profesor fisika dan astronomi di Universitas California, Los Angeles. dan penulis utama studi tersebut. “Ini seperti menemukan mobil modern di antara tulang-tulang Dinosaurus dan bertanya-tanya siapa yang membuat mobil itu pada zaman prasejarah.”

Tantangan pendinginan gas di luar angkasa

Beberapa ahli astrofisika berhipotesis bahwa awan gas yang sangat besar mungkin akan runtuh dan langsung membentuk lubang hitam supermasif, melewati sejarah panjang pembakaran, akresi, dan penggabungan bintang. Namun ada satu masalah: Gravitasi akan menarik awan gas yang sangat besar menjadi satu, namun tidak menjadi satu awan besar. Sebaliknya, ia mengumpulkan potongan-potongan gas menjadi lingkaran cahaya kecil yang mengapung berdekatan namun tidak membentuk lubang hitam.

Alasannya adalah awan gas mendingin dengan sangat cepat. Selama gasnya panas, tekanannya mampu melawan gravitasi. Namun jika gas mendingin, tekanan akan turun, dan gravitasi mungkin akan terjadi di banyak wilayah kecil, yang akan runtuh menjadi objek padat sebelum gravitasi sempat menarik seluruh awan ke dalam satu lubang hitam.

“Kecepatan pendinginan suatu gas sangat berkaitan dengan jumlah molekul hidrogen,” kata penulis pertama dan mahasiswa doktoral Yifan Lu. “Atom-atom hidrogen yang terikat bersama dalam sebuah molekul menghilangkan energi ketika mereka bertemu dengan atom hidrogen yang lepas jagung“Molekul hidrogen menjadi zat pendingin karena menyerap energi panas dan memancarkannya. Awan hidrogen di alam semesta awal mengandung banyak molekul hidrogen, dan gas tersebut mendingin dengan cepat dan membentuk lingkaran cahaya kecil, bukan awan besar.”

Lu dan peneliti pascadoktoral Zachary Baker menulis kode untuk menghitung semua kemungkinan proses untuk skenario ini dan menemukan bahwa radiasi tambahan dapat memanaskan gas dan memisahkan molekul hidrogen, sehingga mengubah cara gas mendingin.

“Jika Anda menambahkan radiasi dalam rentang energi tertentu, hal itu akan menghancurkan molekul hidrogen dan menciptakan kondisi yang mencegah pecahnya awan besar,” tambah Lu.

Peran materi gelap dalam pembentukan lubang hitam

Tapi darimana radiasi itu berasal?

Sebagian kecil dari materi di alam semesta adalah jenis materi yang menyusun tubuh kita, planet kita, bintang-bintang, dan segala sesuatu yang dapat kita amati. Faktanya, sebagian besar materi, yang dapat diamati melalui efek gravitasi pada benda-benda bintang dan melalui pembelokan sinar cahaya yang datang dari sumber yang jauh, terdiri dari beberapa partikel baru yang belum dapat diidentifikasi oleh para ilmuwan.

Bentuk dan sifat materi gelap merupakan misteri yang masih harus dipecahkan. Meskipun kita tidak mengetahui apa itu materi gelap, para ilmuwan partikel telah lama membayangkan bahwa materi gelap mungkin mengandung partikel tidak stabil yang dapat membusuk menjadi foton, partikel cahaya. Memasukkan materi gelap dalam simulasi memberikan radiasi yang dibutuhkan gas untuk bertahan hidup di awan besar saat ia runtuh ke dalam lubang hitam.

Materi gelap mungkin terdiri dari partikel-partikel yang membusuk secara perlahan, atau mungkin terdiri dari lebih dari satu partikel MenggolongkanAda yang stabil dan ada yang terurai lebih awal. Dalam kedua kasus tersebut, produk peluruhan dapat berupa radiasi dalam bentuk foton, yang memecah molekul hidrogen dan mencegah awan hidrogen mendingin terlalu cepat. Bahkan peluruhan materi gelap yang sangat kecil pun menghasilkan radiasi yang cukup untuk mencegah pendinginan, pembentukan awan besar, dan akhirnya lubang hitam supermasif.

“Ini mungkin jawaban mengapa lubang hitam supermasif ditemukan begitu awal,” kata Becker. “Jika Anda seorang yang optimis, Anda juga dapat membaca ini sebagai bukti positif adanya satu jenis materi gelap. Jika lubang hitam supermasif ini terbentuk sebagai sebuah materi gelap. sebagai akibat dari runtuhnya awan gas, mungkin mereka harus melakukannya… Radiasi tambahan yang diperlukan akan datang dari fisika sektor gelap yang tidak diketahui.”

Referensi: “Runtuhnya lubang hitam supermasif secara langsung akibat peluruhan partikel sisa” oleh Yifan Lu, Zachary S.C. Baker, dan Alexander Kosenko, 27 Agustus 2024, Surat ulasan materi.
doi: 10.1103/PhysRevLett.133.091001