Gaura neagră supermasivă din centrul galaxiei Messier 87. ESO/EHT Collaboration

Ar fi putut materia întunecată forma găurile negre supermasive?14 min read

De Laurențiu Păiuș 16.05.2022

Găurile negre supermasive și materia întunecată, două dintre cele mai mari mistere din astronomie, ar putea avea o legătură mai strânsă decât se credea.

Găurile negre supermasive,Detalii pe wikipedia.org de milioane, chiar miliarde de ori mai grele decât Soarele, s-au format foarte rapid după Big Bang, dar cercetătorii nu știu cum exact s-a întâmplat acest lucru. Secretul ar putea fi materia întunecată,Detalii pe wikipedia.org cel puțin așa rezultă dintr-un studiu publicat anul acesta.

Găurile negre reprezintă unul dintre cele mai misterioase subiecte cu care se confruntă astronomii din ziua de azi. Fizica permite o descriere destul de precisă a ce anume se întâmplă cu materia imediat înainte de a se prăbuși într-o gaură neagră. Dar, despre ce se întâmplă odată ce depășește orizontul evenimentelor găurii negre, nu se poate decât să specula. Tot ce se știe este că masa materiei respective se va adăuga la masa găurii negre, care se va îngreuna puțin.

Cum se formează o gaură neagră?

Cel mai cunoscut mod de formare a unei găuri negre este cel al colapsului gravitațional al nucleului unei stele mult mai masive decât Soarele.Acesta se manifestă printr-o supernovă: wikipedia.org În mod normal, orice stea există datorită echilibrului dintre forța gravitațională a acesteia, care încearcă să o prăbușească în interior, și forța de respingere rezultată în urma reacțiilor de fuziune nucleară din nucleu, care, în lipsa gravitației, ar face ca steaua să se dezintegreze rapid.

La sfârșitul vieții, steaua va înceta să mai fuzioneze elemente chimice, forța de respingere va dispărea, iar acest lucru va lăsa gravitația să-și facă de cap. Dacă steaua este de mărimea Soarelui, gravitația o va comprima într-o sferă cam de mărimea Pământului, formând un corp dens numit pitică albă.Detalii pe wikipedia.org 

Dacă steaua este mai masivă decât Soarele, atunci gravitația o va comprima și mai mult, formând o stea neutronică,Detalii pe wikipedia.org un corp și mai dens, de mărimea unui oraș, dar cu o masă mai mare decât cea a Soarelui.

Dacă steaua este mult mai masivă decât Soarele, atunci comprimarea gravitațională va fi atât de extremă, încât va da naștere unei găuri negre.

Formarea găurilor negre supermasive, care sunt de milioane, chiar de miliarde de ori mai grele decât cele stelare, reprezintă, însă, un mister. S-ar putea specula că o gaură neagră supermasivă se formează dintr-una stelară prin absorbirea de-a lungul timpului a materiei care s-a apropiat prea mult de aceasta și prin contopirea cu alte găuri negre. Toate aceste procese ar face într-adevăr să crească masa găurii negre originale. 

Dar, luând în calcul distanțele enorme dintre obiectele cosmice și timpul necesar ca acestea să ajungă în preajma unei găuri negre, ar trebui să existe foarte puține găuri negre supermasive. De ce? Pentru că nu ar fi suficient timp de la formarea Universului, acum aproape 14 miliarde de ani, pentru ca o astfel de gaură neagră să devină una de milioane sau miliarde de ori mai masivă decât Soarele. 

https://mindcraftstories.ro/images/2022/05/Mindcraftstories_Gauri-negre-supermasive-Materie-intunecata-Studiu-formare-gauri-negre_ESA-Hubble-NASA.jpg

Quasarul 3C 273. Foto: ESA-Hubble-NASA.jpg

O nouă ipoteză pentru găurile negre supermasive

Însă astronomii, bazându-se pe observațiile realizate până în prezent, cred că majoritatea galaxiilor din Univers au o gaură neagră supermasivă în centrul lor. În plus, au fost observate găuri negre supermasive formate la chiar mai puțin de un miliard de ani după Big Bang. Spre exemplu, quasarul J0313–1806,„What we can learn from baby black holes”, popsci.com cel mai îndepărtat astfel de obiect descoperit, are în centrul său o gaură neagră supermasivă cu o vârstă de doar 670 de milioane de ani. 

Dar, dacă nu s-au format din găuri negre stelare, cum s-au format acești coloși galactici?

O posibilitate acceptată de oamenii de știință este ca aceste găuri negre ar fi putut să se formeze direct prin colapsul gravitațional al unor regiuni din Universul timpuriu unde materia era foarte densă. Neexistând o forță care să echilibreze gravitația, toată materia respectivă s-ar fi prăbușit într-un singur punct, formând găuri negre. În funcție de cât de multă materie exista în respectivele zone, s-ar fi putut astfel forma găuri negre cu mase de milioane sau chiar miliarde de ori mai mari decât Soarele, adică exact ceea ce observă astronomii în ziua de azi.

Ideea nu este una nouă, dar recent, Hooman Davoudiasl, Peter Denton și Julia Gehrlein, fizicieni teoreticieni în cadrul Laboratorului Național Brookhaven, din New York, au publicat un studiu în Physical Review Letters„Supermassive Black Holes, Ultralight Dark Matter, and Gravitational Waves from a First Order Phase Transition”, journals.aps.org în care arată că această materie s-ar putea să nu fi fost una obișnuită.

„Frecvența interacțiunilor dintre particulele cunoscute sugerează că materia, așa cum o știm, nu s-ar fi prăbușit în găuri negre foarte eficient”, spune Peter Denton, unul dintre autorii studiului.

Natura materiei întunecate este încă un mister pentru oamenii de știință. Deși reprezintă cea mai mare parte din materia care există în Univers, cercetătorii nu sunt siguri ce anume este această materie întunecată. Putând s-o observe doar prin efectele gravitaționale pe care le are, fizicienii nu pot, deocamdată, decât specula despre ce anume ar putea fi. O posibilitatea ar fi ca aceasta să fie reprezentată de niște particule ipotetice ultraușoare, despre care cei trei fizicieni spun că ar fi putut forma găurile negre supermasive în Universul timpuriu.

CITEȘTE ȘI: Energia întunecată rămâne o necunoscută 

„Dacă ar fi existat un sector întunecat cu materie întunecată ultraușoară, universul timpuriu ar fi putut avea condițiile potrivite pentru o formă foarte eficientă de colaps”, explică Denton.

Cei trei cercetători cred că, pe când Universul se răcea după Big Bang, a avut loc o tranziție de fază care ar fi facilitat colapsul gravitațional al unor zone care conțineau multă materie întunecată și care s-au transformat astfel în găuri negre.

„Am teoretizat cum particulele din sectorul întunecat ar putea suferi o tranziție de fază care permite materiei să se prăbușească foarte eficient în găuri negre”, precizează Peter Denton. „Când temperatura universului este corectă, presiunea poate scădea brusc la un nivel foarte scăzut, permițând gravitației să preia controlul și materiei să se prăbușească. Înțelegerea noastră despre particulele cunoscute indică faptul că acest proces nu s-ar întâmpla în alte condiții.”

Această tranziție de fază este cumva asemănătoare cu transformarea apei din stare lichidă în vapori, dar în sens opus.

„O tranziție de fază cosmologică este asemănătoare cu un tip mai familiar de tranziție de fază: aducerea apei la fierbere. Când apa atinge exact temperatura potrivită, erupe în bule și vapori. Imaginați-vă că acest proces are loc cu o stare primordială a materiei. Apoi, schimbați procesul în sens invers, astfel încât să aibă un efect de răcire și măriți-l la scara universului”, se precizează într-un comunicat„The Dark Side of the Universe: How Black Holes Became Supermassive”, bnl.gov al Laboratorul Național Brookhaven.

https://mindcraftstories.ro/images/2022/05/Mindcraftstories_Gauri-negre-supermasive-Materie-intunecata-Studiu-formare-gauri-negre_LIGO-Laboratory-Wikimedia-Commons.jpg

Detectorul de unde gravitaționale LIGO. Foto: Wikimedia Commons

Pentru a putea confirma sau infirma acest mod de formare a găurilor negre supermasive, Hooman Davoudiasl și colaboratorii săi propun studierea undelor gravitaționale produse în momentul formării acestora. Fizicienii descriu cum ar trebui să arate un semnal provenit din detecția undelor gravitaționale și, totodată, oferă și un interval de frecvențe în care ar trebui să fie căutat.

Din păcate, detectoarele actuale de unde gravitaționale, ca proiectul LIGO(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), Detalii pe wikipedia.org nu sunt destul de sensibile pentru a detecta undele produse de eventualele colapsuri gravitaționale ale materiei întunecate în Universul timpuriu. Trebuie deci să apară o nouă generație de astfel de instrumente științifice pentru a putea confirma sau nu acest mecanism de formare a găurilor negre supermasive.

 



Text de

Laurențiu Păiuș

Jurnalist și astronom amator. Este pasionat de tot ce înseamnă explorarea spațiului cosmic. Este inițiatorul a numeroase activități de popularizare a astronomiei.

SĂNĂTATE|STUDIU

Fructul interzis bolnavilor. Nu consuma grepfrut dacă iei aceste medicamente

De
Sucul de grepfrut face unele medicamente mai puțin eficiente sau chiar periculoase. Descoperirea întâmplătoare a unui om de știință a contribuit la siguranța consumatorilor și pacienților din întreaga lume. 
MEDIU|STUDIU

Un înlocuitor biodegradabil pentru plastic

De
Cercetători americani au descoperit un material care poate substitui plasticul. Acesta este format din spumă poliuretanică și este primul înlocuitor al plasticului care este biodegradabil atât pe uscat, cât și în apele mării.
SPAȚIU|SCI-FACTS

Impactul este iminent. Iată ce trebuie să știi despre misiunea DART

De
DART este aproape de destinație. Micuța sondă spațială se va izbi intenționat de un asteroid în ceea ce reprezintă primul test de apărare planetară desfășurat de civilizația umană.
MEDIU|STUDIU

Studiu: chimicale dispersate la altitudini înalte ar putea încetini topirea calotelor glaciare

De
Un plan teoretic de rerăcire a zonelor polare susține că dispersarea dioxidului de sulf în stratosferă, prin intermediul unei flote de avioane masive, ar putea încetini sau chiar opri topirea calotelor glaciare