Donkere materie zou het ultieme parsecprobleem voor zwarte gaten kunnen helpen oplossen

Wanneer sterrenstelsels botsen, gaan hun superzware zwarte gaten een zwaartekrachtdans aan, waarbij ze geleidelijk steeds dichter bij elkaar cirkelen totdat ze uiteindelijk samensmelten. We weten dat ze samensmelten omdat we de resulterende zwaartekrachtmonsters zien, en we hebben de zwaartekrachtgolven gedetecteerd die ze uitzenden terwijl ze inspireren. Maar de details van hun uiteindelijke voltooiing blijven een mysterie. Nu een Nieuw papier Gepubliceerd op een preprintserver arXiv Hij suggereert dat een deel van deze puzzel kan worden opgelost met een beetje donkere materie.

Net zoals het beroemde drielichamenprobleem geen algemene analytische oplossing heeft voor de Newtoniaanse zwaartekracht, heeft het tweelichamenprobleem geen algemene oplossing in de algemene relativiteitstheorie. We moeten ons dus tot computersimulaties wenden om te modelleren hoe zwarte gaten om elkaar heen draaien en uiteindelijk samensmelten.

Voor relatief ver van elkaar verwijderde binaire zwarte gaten werken onze simulaties heel goed, maar als de zwarte gaten dicht bij elkaar staan, wordt het ingewikkeld. De vergelijkingen van Einstein zijn zeer niet-lineair en het modelleren van de dynamiek van sterk op elkaar inwerkende zwarte gaten is moeilijk.

Als gevolg hiervan laten onze simulaties geen samensmeltingen van zwarte gaten zien. In plaats daarvan draaien ze totdat ze ongeveer een parsec uit elkaar staan, en stabiliseren zich dan. Dit staat bekend als het ultieme parsec-probleem.

Eén idee om het probleem op te lossen is om donkere materie in de mix te introduceren. Koude donkere materie is volgens het standaard kosmologische model immers vrijwel overal aanwezig en speelt dus waarschijnlijk een rol bij het samensmelten van superzware zwarte gaten. Maar tot nu toe lijkt het erop dat koude donkere materie niet het antwoord is. De simulatie die u gebruikt heeft hetzelfde ultieme parsec-probleem als alleen de algemene relativiteitstheorie.

In deze nieuwe studie houdt het team rekening met een variatie in donkere materie die bekend staat als mysterieuze donkere materie. Het is vergelijkbaar met standaard koude donkere materie, behalve dat het bestaat uit scalaire deeltjes met een lage massa. Omdat deze deeltjes met niets anders dan de zwaartekracht met elkaar zouden interageren, zouden ze niet op dezelfde manier aggregeren als gewone donkere materie, en dus een meer ‘vage’ verdeling hebben.

De mysterieuze donkere materie werd voor het eerst voorgesteld om het zogenaamde cusp-probleem van dwergstelsels, een zwakke plek voor donkere materie, aan te pakken. Hier laten de onderzoekers zien dat mysterieuze donkere materie de orbitale vervalsnelheid van zwarte gaten kan verhogen, vooral de grootste superzware zwarte gaten. Het zou enkele van de monsters kunnen verklaren die we hebben waargenomen in de kernen van sommige elliptische sterrenstelsels.

Maar het werk bewijst niet dat mysterieuze donkere materie het antwoord is. De details van de laatste fase van inspirerende zwarte gaten zijn nog steeds een beetje mysterieus. Er zijn directe observaties van superzware zwarte gaten nodig om dit idee te bewijzen of uit te sluiten. Gelukkig zouden toekomstige NANOGrav-waarnemingen, of die van het geplande LISA-zwaartekrachtgolfobservatorium, dergelijke samensmeltingen moeten kunnen zien. Daarom zal ons begrip van hoe de grootste zwarte gaten in het universum samensmelten niet geheel mysterieus zijn.