ブラックホールはどのようにそんなに大きく、そんなに早くなったのか？答えは暗闇の中にある

初期の宇宙の暗黒物質からの放射線は、水素ガスをブラックホールに凝縮するのに十分なほど熱く保たれた可能性があります。

• 超巨大ブラックホールは一般的に形成されるのに数十億年かかります。しかし ジェームズウェブ宇宙望遠鏡 それらをそんなに長くなく発見することです ビッグバン – 形成される時間なし。
• UCLA 天体物理学者たちは、暗黒物質が崩壊すると、それが放出する光子が水素ガスを重力がそれを巨大な雲に集め、最終的に超巨大質量で凝縮するのに十分に熱く保つことを発見しました。 ブラックホール。
• この発見は、非常に初期の超巨大ブラックホールの存在を説明することに加えて、光子のような粒子に崩壊する可能性のある暗黒物質の存在の一種を支持する。

超巨大ブラックホールの形成

私たちの銀河の中心部にあるような超大質量ブラックホールが生成されるまでには長い時間がかかります。 天の川 銀河系が形成されるため。通常、ブラックホールが誕生するには、太陽の50倍以上の質量を持つ巨大な星が燃えなければなりません。このプロセスには10億年かかることがあり、その核が自ら崩壊しなければなりません。

それにもかかわらず、約10太陽質量に過ぎず、ブラックホールは私たちの銀河に見られる400万太陽質量のブラックホールである射手座A *や他の銀河に見られる数十億太陽質量の超巨大ブラックホールからは遠いです。これらの巨大なブラックホールは、ガスと星の沈着と数十億年を要する他のブラックホールとの合併によって、より小さなブラックホールに形成することができます。

ジェームズウェブ宇宙望遠鏡が明らかにした謎

それでは、ジェームズウェブ宇宙望遠鏡が時間の始まり付近、すなわちブラックホールを形成することができなければならないエオンよりはるかに前に超巨大ブラックホールを発見したのはなぜだろうか。カリフォルニア大学ロサンゼルス（UCLA）の天体物理学者たちは、ブラックホール自体と同じくらい神秘的な答えを持っています。暗黒物質は、水素が重力によって凝縮し、星ではなくブラックホールに変わるほど大きく密度の高い雲になるまで十分に冷えないように防いだ。この発見は8月27日にジャーナルに掲載された。 物理レビューレター。

「宇宙自体がわずか5億年しかなかったが、10億太陽質量の超巨大ブラックホールを発見したのはどれほど驚くべきことなのか」とUCLAの物理学および天文学教授でありシニア著者であるアレクサンダー・クセンコは語った。 「恐竜の骨の間で現代の車を発見し、先史時代に誰がその車を作ったのか疑問に思うようなものです」

宇宙でのガス冷却の課題

一部の天体物理学者は、巨大なガス雲が崩壊して超巨大ブラックホールを直接作り出すことができ、星の燃焼、沈着、合併の長い歴史を迂回できると仮定しています。しかし、一つの問題があります。重力は実際に巨大なガス雲を引き付けますが、1つの巨大な雲にはなりません。代わりに、ガスの一部を小さなハローに集めて互いに近くに浮かぶが、ブラックホールを形成しない。

その理由は、ガスの雲が冷えすぎてしまうからです。ガスが熱いときにのみ圧力が重力を相殺する可能性があります。しかし、ガスが冷えると、圧力が低下し、重力の多い小さな領域で優勢になる可能性があり、重力が全体の雲を1つのブラックホールに引き込む機会を持つ前に、密度の高い物体に崩壊します。

「ガスがどれくらい早く冷えるかは、分子水素の量と多くの関係があります。」 「分子から結合した水素原子は、緩い水素に会うとエネルギーを消散します。 原子。水素分子は熱エネルギーを吸収して放出しながら冷却剤になります。初期の宇宙の水素雲は分子水素が多すぎ、ガスは急速に冷やされ、大きな雲の代わりに小さなハローを形成しました。

ルワ博士の研究者であるジャカリーピッカーは、このシナリオのすべての可能なプロセスを計算するコードを作成し、追加の放射線がガスを加熱し、水素分子を分離してガスが冷却される方法を変えることができることを発見しました。

ルは「特定のエネルギー範囲の放射線を加えると分子水素が破壊され、大きな雲の破片化を防ぐ条件が作られる」と述べた。

ブラックホール形成における暗黒物質の役割

しかし、放射線はどこから出るのか？

宇宙の物質の中で、私たちの体、地球、星、そして私たちが観察できるものすべてを構成する物質は、ごくわずかな部分です。星の物体への重力効果と遠い源から来る光の反りによって検出される物質の大部分は、科学者がまだ識別していない新しい粒子で構成されています。

したがって、ダークマテリアルの形態と属性はまだ解決されていない謎です。私たちは暗黒物質が何であるかわかりませんが、粒子理論家は長い間それが光子、すなわち光の粒子に崩壊する可能性がある不安定な粒子を含むことができると推測してきました。シミュレーションにそのような暗黒物質を含めると、ガスがブラックホールに崩壊している間に大きな雲の中に残るのに必要な放射が得られます。

暗黒物質は、ゆっくりと崩壊する粒子から構成されてもよく、２つ以上の粒子から構成されてもよい。 種：一部は安定しており、一部は最初に崩壊します。いずれの場合も、崩壊の生成物は光子の形態の放射線であり得、これは分子水素を分解し、水素雲が急速に冷えるのを防ぐ。暗黒物質の非常に弱い崩壊でさえ、冷却を防止するのに十分な放射線を生成し、大きな雲と最終的に超巨大ブラックホールを形成する。

「これは超巨大ブラックホールが非常に早く発見された理由の解決策かもしれません」とPickerは言いました。 「楽観的であれば、これを暗黒物質の一種の肯定的な証拠として読むこともできます。この超巨大ブラックホールがガス雲の崩壊によって形成されている場合、必要な追加のコピーは暗黒セクターの未知の物理学から来なければなりません。」

参考文献：Yifan Lu、Zachary SC PickerおよびAlexander Kusenkoの「Relic Particle Decayからの直接崩壊超巨大ブラックホール」、2024年8月27日、 物理レビューレター。
DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.091001