Czy mogą istnieć czarne dziury ciemnej materii?

Czy ciemna materia może się kompresować i tworzyć czarne dziury? Ponieważ ciemna materia jest jeszcze bardziej obfita niż normalna, czarna dziura ciemnej materii nie powinna być rzadka ... prawda?

Problem z próbą utworzenia czarnej dziury z ciemną materią polega na tym, że ciemna materia może jedynie słabo oddziaływać (jeśli w ogóle) z normalną materią i samą sobą, inną niż grawitacja.

To stanowi problem. Aby uzyskać ciemną materię wystarczająco skoncentrowaną, aby utworzyć czarną dziurę, konieczne jest zwiększenie jej (ujemnej) grawitacyjnej energii wiązania bez jednoczesnego zwiększenia wewnętrznej energii kinetycznej o tę samą ilość. Wymaga to pewnego rodzaju rozpraszającej interakcji między ciemną materią a normalną materią (lub nią samą).

Poniższy scenariusz powinien to wyjaśnić. Załóżmy, że mamy bryłę ciemnej materii, która przyciąga grawitacyjnie kolejną bryłę ciemnej materii. Gdy zbliżają się do siebie, przyspieszają i zyskują energię kinetyczną. Uzyskana energia kinetyczna wystarczy dokładnie, aby następnie rozdzielić je w podobnym stopniu, w jakim zaczęły się, chyba że nastąpi jakiś rozpraszający proces.

Przykładem może być założenie, że ciemna materia słabo oddziałuje na masywne cząstki (WIMP). WIMP przyciągane są grawitacyjnie w kierunku centrów gwiazd. W przypadku oddziaływań słabych zdarzyć wystarczająco często to może być możliwe, by gromadzić w gwiazdach, zamiast strzelać przez i na zewnątrz po drugiej stronie.

Postawiono hipotezę, że czarne dziury mogłyby być wykonane w ten sposób w pobliżu centrum Galaktyki, zasiane gęstymi gwiazdami neutronowymi. Gęstość materii gwiezdnej neutronowej w połączeniu ze zwiększoną gęstością ciemnej materii w pobliżu centrów galaktyk może spowodować gromadzenie się ciemnej materii w gwiazdach neutronowych, prowadząc do powstawania czarnych dziur.

Po utworzeniu czarnej dziury żadna ciemna materia, która wejdzie na horyzont zdarzeń, nie może się wyłonić bez względu na to, jaką energię kinetyczną zyskuje w procesie. Jednak nadal występuje problem. Materiał na orbicie wokół czarnej dziury ma mniejszy moment pędu, im bliżej orbituje. Przejście do horyzontu zdarzenia wymaga, aby ciemna materia straciła moment pędu. Normalna materia robi to za pomocą tarczy akrecyjnej, która może przenosić pęd kątowy na zewnątrz za pomocą lepkich momentów obrotowych, umożliwiając akrecję materii. Ciemna materia ma prawie zerową lepkość, więc nie może się to zdarzyć.

Tak więc zbudowanie supermasywnej czarnej dziury z mniejszego ziarna byłoby trudne, ale tworzenie małych czarnych dziur z gwiazd neutronowych może być łatwiejsze. Zaproponowano, że względny brak pulsarów obserwowany w kierunku naszego centrum galaktycznego może wynikać z tego procesu.

Jak zauważył Rob Jeffries, utworzenie czarnej dziury (BH) z ciemnej materii (DM) jest niemożliwe ( chyba że zachodzi [hipotetyczna] interakcja, w której ciemna materia może stracić energię, która wymyka się wszelkiemu wykryciu). Akrecja DM w istniejącym BH jest nadal mało prawdopodobna (ponieważ DM nie może tak łatwo stracić nadmiaru energii i pędu kątowego jak gaz), ale nie jest to niemożliwe, a niewielka część materii nagromadzona w supermasywnych BH (SMBH) w centrach galaktycznych była prawdopodobnie ciemna.

Jednak gdy materia akretuje się w BH, informacja o jej pochodzeniu (ciemnej materii lub barionie) zostaje utracona. Dlatego nie ma sensu mówić o czarnych dziurach ciemnej materii : czarne dziury nie mają żadnych właściwości poza ich masą, spinem i ładunkiem ( twierdzenie o braku włosów ).

Ta właśnie właściwość sprawia, że pierwotne czarne dziury są interesujące jako kandydaci na ciemną materię, ponieważ nie naruszają ograniczeń (na przykład z nukleosyntezy Wielkiego Wybuchu ) co do ilości materii barionowej. Jednak, AFAIK, pierwotne czarne dziury nie są przychylne jako kandydaci na DM (z powodów wykraczających poza zakres tej odpowiedzi).

Czarne dziury są wynikiem tak skoncentrowanej masy, że grawitacja nie wypuszcza niczego, w tym światła. Prawie jedyne rzeczy, jakie wiemy o ciemnej materii, to to, że ma ona masę i wydaje się, że oddziałuje tylko ze zwykłą materią poprzez grawitację. Ponieważ w ogóle nie znamy fizyki ciemnej materii, nie można powiedzieć, jakie procesy mogą skoncentrować ciemną materię na tyle, by utworzyć czarną dziurę, ale teoretycznie czarna dziura mogłaby powstać z ciemnej materii, a nawet zwykłej i ciemnej materii materia. Niektórzy teoretycy [ przypis ] nawet uważają, że właśnie takie są supermasywne czarne dziury.

przypis : Jeremiah P. Ostriker z Princeton University, Collisional Dark Matter and the Origin of Massive Black Holes oraz Zoltán Haiman z Columbia University, The Formation of the First Massive Black Holes . Interesujące są również te artykuły , od 2011 r. Do chwili obecnej, powołując się na najważniejszy artykuł Ostrikera.