Astrophysiker entdecken Verbindung zwischen supermassiven Schwarzen Löchern und Dunkler Materie bei der Lösung des „letzten Parsec-Problems“

Forscher haben eine Verbindung zwischen einigen der größten und kleinsten Objekte im Kosmos entdeckt: supermassiven Schwarzen Löchern und Teilchen der Dunklen Materie.

Ihre neuen Berechnungen zeigen, dass Paare supermassiver Schwarzer Löcher (SMBHs) aufgrund des bislang übersehenen Verhaltens von Dunkle-Materie-Partikeln zu einem einzigen größeren Schwarzen Loch verschmelzen können, und schlagen damit eine Lösung für das seit langem bestehende „letzte Parsec-Problem“ in der Astronomie vor.

Die Forschung wird in „Selbstwechselwirkende dunkle Materie löst das letzte Parsec-Problem bei der Verschmelzung supermassiver Schwarzer Löcher“ beschrieben. veröffentlicht diesen Monat im Journal Briefe zur körperlichen Überprüfung.

Im Jahr 2023 gaben Astrophysiker die Entdeckung eines „Summens“ von Gravitationswellen bekannt, das das Universum durchdringt. Sie vermuteten, dass dieses Hintergrundsignal von Millionen verschmelzender Paare von SMBHs ausging, von denen jedes Milliarden Mal massereicher war als unsere Sonne.

Theoretische Simulationen haben jedoch ergeben, dass die Annäherung dieser gigantischen Himmelskörper, die sich spiralförmig immer näher aneinander annähern, bei einem Abstand von etwa einem Parsec – einer Entfernung von rund drei Lichtjahren – zum Erliegen kommt und somit eine Verschmelzung verhindert wird.

Dieses „letzte Parsec-Problem“ widersprach nicht nur der Theorie, dass verschmelzende schwarze Löcher die Quelle der Gravitationswellenhintergrundstrahlung seien, sondern auch der Theorie, dass schwarze Löcher durch die Verschmelzung weniger massereicher schwarzer Löcher entstehen.

„Wir zeigen, dass die Berücksichtigung des bisher übersehenen Effekts der Dunklen Materie supermassiven Schwarzen Löchern helfen kann, dieses letzte Parsec der Trennung zu überwinden und zu verschmelzen“, sagt der Co-Autor der Studie, Gonzalo Alonso-Álvarez, Postdoktorand am Institut für Physik der Universität Toronto und am Institut für Physik und am Trottier Space Institute der McGill University. „Unsere Berechnungen erklären, wie das im Gegensatz zu dem, was bisher angenommen wurde, passieren kann.“

Zu den Co-Autoren des Artikels gehören Professor James Cline von der McGill University und der Abteilung für theoretische Physik des CERN in der Schweiz sowie Caitlyn Dewar, eine Masterstudentin der Physik an der McGill University.

Man geht davon aus, dass SMBHs im Zentrum der meisten Galaxien liegen. Wenn zwei Galaxien kollidieren, geraten die SMBHs in eine Umlaufbahn umeinander. Während sie umeinander kreisen, werden sie von der Gravitationskraft der nahegelegenen Sterne angezogen und gebremst. Infolgedessen drehen sich die SMBHs spiralförmig nach innen und geraten in Richtung einer Verschmelzung.

Frühere Fusionsmodelle haben gezeigt, dass die SMBHs, wenn sie sich bis auf etwa ein Parsec nähern, mit der dunklen Materiewolke oder dem Halo, in dem sie eingebettet sind, zu interagieren beginnen. Sie haben gezeigt, dass die Schwerkraft der spiralförmigen SMBHs dunkle Materieteilchen aus dem System schleudert und die daraus resultierende Spärlichkeit dunkler Materie bedeutet, dass dem Paar keine Energie entzogen wird und ihre gegenseitigen Umlaufbahnen nicht mehr schrumpfen.

Während diese Modelle den Einfluss dunkler Materie auf die Umlaufbahnen des SMBHs außer Acht ließen, zeigt das neue Modell von Alonso-Álvarez und seinen Kollegen, dass die Teilchen der dunklen Materie so miteinander interagieren, dass sie nicht zerstreut werden. Die Dichte des Dunkle-Materie-Halos bleibt hoch genug, dass die Wechselwirkungen zwischen den Teilchen und den SMBHs die Umlaufbahnen des SMBHs weiterhin beeinträchtigen und so den Weg für eine Verschmelzung frei machen.

„Die Möglichkeit, dass Dunkle-Materie-Partikel miteinander interagieren, ist eine Annahme, die wir gemacht haben, eine zusätzliche Zutat, die nicht alle Dunkle-Materie-Modelle enthalten“, sagt Alonso-Álvarez. „Unsere These ist, dass nur Modelle mit dieser Zutat das endgültige Parsec-Problem lösen können.“

Das Hintergrundgeräusch, das diese gewaltigen kosmischen Kollisionen erzeugen, besteht aus Gravitationswellen mit viel längerer Wellenlänge als jene, die 2015 erstmals von Astrophysikern am Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) entdeckt wurden. Diese Gravitationswellen wurden durch die Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher erzeugt, die beide etwa 30 Mal so groß sind wie die Masse der Sonne.

Das Hintergrundbrummen wurde in den letzten Jahren von Wissenschaftlern entdeckt, die das Pulsar Timing Array betreiben. Das Array zeigt Gravitationswellen an, indem es winzige Schwankungen in Signalen von Pulsaren misst. Pulsare sind schnell rotierende Neutronensterne, die starke Radioimpulse aussenden.

„Eine Vorhersage unseres Vorschlags ist, dass das Spektrum der von Pulsar-Timing-Arrays beobachteten Gravitationswellen bei niedrigen Frequenzen abgeschwächt sein sollte“, sagt Cline. „Die aktuellen Daten deuten bereits auf dieses Verhalten hin und neue Daten könnten es in den nächsten Jahren bestätigen.“

Das neue Ergebnis gibt nicht nur Einblick in SBMH-Kollisionen und das Gravitationswellen-Hintergrundsignal, sondern ermöglicht auch einen Einblick in die Natur der dunklen Materie.

„Unsere Arbeit ist ein neuer Weg, der uns hilft, die Teilchennatur der Dunklen Materie zu verstehen“, sagt Alonso-Álvarez. „Wir haben herausgefunden, dass die Entwicklung der Umlaufbahnen Schwarzer Löcher sehr empfindlich auf die Mikrophysik der Dunklen Materie reagiert. Das bedeutet, dass wir Beobachtungen von Verschmelzungen supermassiver Schwarzer Löcher nutzen können, um diese Teilchen besser zu verstehen.“

So stellten die Forscher beispielsweise fest, dass die von ihnen modellierten Wechselwirkungen zwischen Dunkle-Materie-Teilchen auch die Formen der galaktischen Dunkle-Materie-Halos erklären.

„Wir haben festgestellt, dass das letzte Parsec-Problem nur gelöst werden kann, wenn Dunkle-Materie-Partikel mit einer Rate interagieren, die die Verteilung der Dunklen Materie auf galaktischen Skalen verändern kann“, sagt Alonso-Álvarez. „Das war unerwartet, da die physikalischen Skalen, auf denen die Prozesse stattfinden, drei oder mehr Größenordnungen auseinander liegen. Das ist aufregend.“