Σκοτεινή Κατάποση: Μια νέα υπόθεση για το πως σχηματίστηκαν οι υπερβαρέες μαύρες τρύπες

Πηγή: ScienceDaily, 22 Απριλίου 2009

Μια διαδικασία που ονομάζεται σκοτεινή κατάποση μπορεί να λύσει το μυστήριο για το πώς ήταν σε θέση οι υπερβαρέες μαύρες τρύπες να σχηματιστούν, όταν η ηλικία του Σύμπαντος ήταν μικρότερη από ένα δισεκατομμύριο χρόνια.

Η σκοτεινή κατάποση συμβαίνει όταν υπάρχουν βαρυτικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ του αόρατου φωτοστέφανου της σκοτεινής ύλης σε ένα σμήνος από γαλαξίες και του αερίου που ενσωματώθηκε στο φωτοστέφανο της σκοτεινής ύλης. Αυτό συνέβη όταν το Σύμπαν ήταν λιγότερο από ένα δισεκατομμύριο ετών. Οι επιστήμονες διαπίστωσαν ότι οι αλληλεπιδράσεις αναγκάζουν την σκοτεινή ύλη να σχηματίσει μια συμπαγή κεντρική μάζα, που μπορεί βαρυτικά να είναι ασταθής, οπότε έρχεται η κατάρρευση της. Η ταχύτατη δυναμική κατάρρευση είναι η σκοτεινή κατάποση.

Ο Curtis Saxton θα παρουσιάσει μια μελέτη για το θέμα αυτό στην Ευρωπαϊκή Εβδομάδα Αστρονομίας και Διαστημικής Επιστήμης στο Πανεπιστήμιο του Hertfordshire  στο Hatfield.

Μια εικόνα βαρυτικού φακού στο σμήνος των γαλαξιών Abell 2218, όπως την τράβηξε το Διαστημικό Τηλεσκόπιο Hubble, δείχνει την παρουσία μεγάλων ποσοτήτων από σκοτεινή ύλη.

Ο καθηγητής Curtis Saxton μαζί με τον Kinwah Wu, από το Εργαστήριο Διαστημικής Επιστήμης του Πανεπιστημιακού Κολεγίου του Λονδίνου, ανέπτυξαν ένα μοντέλο για τη μελέτη των αλληλεπιδράσεων μεταξύ του αόρατου φωτοστέφανου (ή άλω) της σκοτεινής ύλης σε ένα σμήνος γαλαξιών και του αερίου που είναι ενσωματωμένο στην άλω της σκοτεινής ύλης.

Διαπίστωσαν λοιπόν ότι οι αλληλεπιδράσεις αυτές αναγκάζουν την σκοτεινή ύλη να σχηματίσει μια συμπαγή κεντρική μάζα, που μπορεί να είναι  βαρυτικά ασταθής, ανάλογα με τις θερμικές ιδιότητες της σκοτεινής ύλης. Αν το σμήνος είναι αναστατωμένο, η κεντρική μάζα της σκοτεινής ύλης θα υποβληθεί σε μια πολύ γρήγορη κατάρρευση, χωρίς κανένα ίχνος από τις ηλεκτρομαγνητικές ακτινοβολίες που εκπέμπονται. Αυτή η ταχεία δυναμική κατάρρευση της ασταθούς σκοτεινής ύλης λέγεται σκοτεινή κατάποση (dark gulping).

Η ποσότητα της μάζας της σκοτεινής ύλης που αλληλεπιδρά στον συμπαγή πυρήνα είναι συμβατή με την κλίμακα των υπερβαρέων μαύρων οπών στους γαλαξίες σήμερα. Υπάρχουν πολλές θεωρίες για το πώς σχηματίστηκαν οι υπερβαρέες μαύρες τρύπες: μία πιθανότητα είναι ότι ένα μεγάλο νέφος του αερίου καταρρέει, μία άλλη είναι ότι μια σχηματίστηκε μία μαύρη τρύπα από την κατάρρευση ενός γιγάντιου άστρου απορροφώντας τεράστια ποσά ύλης. Μία τρίτη πιθανότητα είναι ότι συγχωνεύτηκαν μαζί ένα σμήνος από μικρές μαύρες τρύπες.

Ωστόσο, όλες αυτές οι επιλογές θέλουν πολλά εκατομμύρια χρόνια για να ολοκληρωθούν και έρχονται σε αντίθεση με τις πρόσφατες παρατηρήσεις που δείχνουν ότι οι μαύρες τρύπες ήταν παρούσες όταν το Σύμπαν ήταν ηλικίας λιγότερο από ένα δισεκατομμύριο χρόνια. Η νέα θεωρία όμως της σκοτεινής κατάποσης (Dark gulping) μπορεί να δώσει μια αξιόπιστη λύση για το πώς καταστρατηγήθηκε η βραδύτητα της συσσώρευσης των αερίων, επιτρέποντας κατ' αυτόν τον τρόπο την ταχεία ανάπτυξη των γιγάντιων μαύρων οπών.

"Η σκοτεινή ύλη φαίνεται να κυριαρχεί βαρυτικά στην δυναμική τόσο των γαλαξιών όσο και των γαλαξιακών σμηνών. Ωστόσο, υπάρχει ακόμη μια μεγάλη εικασία σχετικά με την προέλευση, τις ιδιότητες και την κατανομή των σωματιδίων της σκοτεινής ύλης. Μπορούμε να είμαστε βέβαιο μόνο στο ότι η σκοτεινή ύλη δεν αλληλεπιδράει με το φως, αλλά αλληλεπιδρά με την συνηθισμένη ύλη μέσω της βαρύτητας. Προηγούμενες μελέτες είχαν αγνοήσει την αλληλεπίδραση μεταξύ του αερίου και της σκοτεινής ύλης αλλά, δημιουργώντας την στο μοντέλο μας, έχουμε επιτύχει μια πολύ πιο ρεαλιστική εικόνα που ταιριάζει καλύτερα με τις παρατηρήσεις. Μπορεί, επίσης, να έχουμε αποκτήσει κάποια εικόνα για την παρουσία της στις αρχέγονες υπερβαρέες μαύρες τρύπες", εξηγεί ο Saxton.

Σύμφωνα με το μοντέλο του Saxton, η ανάπτυξη μιας συμπαγούς μάζας στο κέντρο είναι αναπόφευκτη. Η ψύξη από το αέριο την αναγκάζει να ρέει προς το κέντρο. Το αέριο μπορεί να είναι μέχρι 10 εκατομμύρια βαθμούς στα εξωτερικά τμήματα του φωτοστεφάνου, που το μήκος του φθάνει αρκετά εκατομμύρια έτη φωτός, με μια πιο ψυχρή ζώνη προς τον πυρήνα, η οποία περιβάλλει ένα θερμότερο εσωτερικό τμήμα μήκους μερικών χιλιάδων ετών φωτός. Το αέριο δεν ψύχει επ' αόριστον, αλλά φθάνει τουλάχιστον σε μια τέτοια θερμοκρασία, που ταιριάζει με τις παρατηρήσεις σε ακτίνες Χ των γαλαξιακών σμηνών.

Το μοντέλο εξετάζει επίσης σε πόσες διαστάσεις κινούνται τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης, καθώς αυτές καθορίζουν το ρυθμό με τον οποίο το σκοτεινό φωτοστέφανο διευρύνεται και απορροφά και εκπέμπει θερμότητα, και τελικά επηρεάζει την κατανομή της σκοτεινής μάζας του συστήματος.

"Στο πλαίσιο του μοντέλου μας, τα μεγέθη που παρατηρούμε στον πυρήνα της άλως του γαλαξιακού σμήνους καθώς και το παρατηρηρούμενο εύρος της μάζας των γιγαντιαίων μαύρων οπών, υπονοούν ότι τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης έχουν μεταξύ επτά και δέκα βαθμών ελευθερίας", δήλωσε ο Saxton. "Με περισσότερες από έξι, η εσωτερική περιοχή  της σκοτεινής ύλης προσεγγίζει το όριο της βαρυτικής αστάθειας, ανοίγοντας έτσι την δυνατότητα να λαμβάνει χώρα η σκοτεινή κατάποση."

Τα συμπεράσματα έχουν δημοσιευθεί στο Monthly Notices της Βασιλικής Αστρονομικής Εταιρείας.