Superzware zwarte gaten fuseren soms, maar astrofysici weten al tientallen jaren niet hoe. Nu is er misschien eindelijk een oplossing gevonden in de vorm van donkere materie.
Astrofysici weten niet hoe superzware zwarte gaten dicht genoeg bij elkaar kunnen komen om samen te smelten. Dit mysterie heet het ‘laatste parsec probleem’. Nu zou een aparte vorm van donkere materie dit kunnen oplossen. Astrofysici publiceerden hun theorie in het wetenschappelijke tijdschrift Physical Review Letters.
Laatste loodjes
Nadat een twee sterrenstelsels op elkaar botsen, beginnen hun centrale superzware zwarte gaten vaak miljoenen jaren lang in een dans om elkaar heen te draaien. In de loop van die tijd slingeren deze kolossale zwarte gaten alle materie in de buurt weg. Dit proces genereert wrijving die de zwarte gaten geleidelijk afremt, waardoor ze steeds dichter naar elkaar toe draaien.
Thomas Hertog werkte samen met Stephen Hawking en onderzoekt de oerknal
Tijd en natuurwetten zijn voortgekomen uit de oerknal, in een chaotisch proces van toevalligheden, zegt theoretisch natuurkun ...
Maar tegen de tijd dat ze ongeveer 1 parsec van elkaar verwijderd zijn – dat is een afstand van iets meer dan 3 lichtjaar – is er nog maar heel weinig materie in het gebied. Materie is zo schaars dat het niet genoeg wrijving kan opwekken om de zwarte gaten samen te laten smelten; althans, het fuseren zou langer duren dan de huidige leeftijd van het heelal. Dus hoewel we weten dat deze zwarte gaten moeten samensmelten – onder meer omdat we rimpelingen in de ruimtetijd hebben gedetecteerd die het gevolg zijn van zulke samensmeltingen – weten we niet hoe. Dit mysterie wordt het ‘laatste parsec-probleem’ genoemd.
Donkere stuiterballen
Natuurkundige Gonzalo Alonso-Álvarez van de Universiteit van Toronto in Canada en zijn collega’s hebben een mogelijke oplossing gevonden voor dit probleem in de vorm van donkere materie. Het standaardplaatje van donkere-materiedeeltjes stelt dat ze geen interactie met elkaar hebben. Ze zouden daarom net als gewone materie uit het gebied rond superzware zwarte gaten worden geslingerd. Maar de onderzoekers berekenden dat, als de donkere materiedeeltjes tegen elkaar kunnen stuiteren, dit gestuiter ze genoeg in de buurt kan houden om de zwarte gaten af te remmen en te laten samensmelten.
‘Als de zwarte gaten bewegen, dan oefent de donkere materie een kleine wrijving op ze uit door middel van zwaartekrachtinteracties, net alsof je door water beweegt’, zegt Alonso-Álvarez. ‘We waren erg verrast om te zien dat deze kleine interacties zo’n enorme impact kunnen hebben.’
Om donkere materie met zichzelf te laten interageren, moet er een nieuw (donker) deeltje zijn dat die interactie bemiddelt. Deze deeltjes, die ‘donkere fotonen’ worden genoemd vanwege hun gelijkenis met lichtdeeltjes, zijn al eerder voorgesteld.
Dynamica detecteren
Maar donkere materie is niet de enige oplossing die is voorgesteld voor het ‘laatste parsec-probleem’. Gezien de turbulentie en algemene onrust in de meeste sterrenstelsels, hebben sommige astrofysici voorgesteld dat de ‘gewone’ materie in de buurt van superzware zwarte gaten simpelweg wordt aangevuld door de kolkende sterrenstelsels.
‘Ik ben ervan overtuigd dat het model van Alonso-Álvarez zou werken, maar ik weet niet zeker of het noodzakelijk is’, zegt astronoom Luke Zoltan Kelley van de Universiteit van Californië in Berkeley. ‘Waarschijnlijk is het een combinatie van verschillende processen die het ‘laatste parsec-probleem’ oplost.’
Als het idee van de astrofysici klopt, zou het een unieke kans bieden om de fysica van donkere materie te bestuderen. ‘Zelf-interagerende donkere materie zou de gasstroom in de sterrenstelsels of de dynamica van de samensmeltingen kunnen veranderen. Als dat zo is, dan is dat iets dat we misschien kunnen detecteren’, zegt Kelley.
De onderzoekers werken nu aan meer gedetailleerde simulaties om meer te onthullen over de effecten van zelf-interagerende donkere materie op sterrenstelsels en hoe het de superzware zwarte gaten daarin zou kunnen beïnvloeden.
