Могут ли быть черные дыры темной материи?

16

Может ли темная материя сжиматься и образовывать черные дыры? Поскольку темная материя еще более распространена, чем обычная материя, черная дыра в темной материи не должна быть редкой ... верно?

Сэр
источник
Еще одно объяснение вопроса, если он интересует, хотя это не касается возможности образования темной материей сверхмассивных черных дыр в центре галактик, что, я думаю, довольно круто. curious.astro.cornell.edu/the-universe/90-the-universe/…
userLTK
1
Термин « черные дыры темной материи» не имеет большого смысла, см. Также мой ответ.
Уолтер
1
Раз это черная дыра, это не имеет значения (каламбур).
Флорин Андрей

Ответы:

22

Проблема с попыткой сформировать черную дыру с темной материей состоит в том, что темная материя может только слабо взаимодействовать (если вообще вообще) с нормальной материей и самой собой, кроме гравитации.

Это создает проблему. Для того чтобы темная материя была достаточно сконцентрирована для образования черной дыры, требуется, чтобы она увеличила свою (отрицательную) гравитационную энергию связи, не увеличивая при этом свою внутреннюю кинетическую энергию на ту же величину. Это требует некоторого диссипативного взаимодействия между темной материей и нормальной материей (или самой собой).

Следующий сценарий должен прояснить это. Предположим, у нас есть кусок темной материи, который гравитационно притягивает другой кусок темной материи. Когда они приближаются друг к другу, они ускоряются и получают кинетическую энергию. Полученной кинетической энергии будет достаточно, чтобы затем разделить их в той же степени, в которой они начали, если только не произойдет диссипативный процесс.

Например, предположим, что темная материя - это слабо взаимодействующие массивные частицы (WIMP). WIMP гравитационно тянутся к центрам звезд. Если слабые взаимодействия случаются достаточно часто, они могут накапливаться в звездах, а не пролетать сквозь другую сторону.

Было выдвинуто предположение, что черные дыры могут быть созданы таким образом вблизи центра Галактики, засеянного плотными нейтронными звездами. Плотность вещества нейтронной звезды в сочетании с повышенной плотностью темной материи вблизи центров галактики может привести к накоплению темной материи в нейтронных звездах, что приведет к образованию черных дыр.

После образования черной дыры любая темная материя, попадающая в горизонт событий, не может появиться независимо от того, какую кинетическую энергию она получает в процессе. Тем не менее, проблема все еще существует. Материал на орбите вокруг черной дыры имеет меньший момент импульса, чем ближе он вращается. Чтобы пройти внутри горизонта событий, темная материя должна потерять момент импульса. Обычная материя делает это через аккреционный диск, который может передавать угловой момент наружу под действием вязких моментов, позволяя материи нарастать. Темная материя имеет почти нулевую вязкость, поэтому этого не может быть.

Поэтому было бы сложно создать сверхмассивную черную дыру из более мелкого семени, но было бы проще сформировать маленькие черные дыры из нейтронных звезд. Было высказано предположение, что относительный недостаток пульсаров, наблюдаемый в направлении нашего собственного Галактического центра, может быть связан с этим процессом.

Роб Джеффрис
источник
Мне интересно. Я просто не мог знать достаточно о темной материи. Мы знаем, что он не взаимодействует с обычной материей, кроме как под действием силы тяжести, и, похоже, он более диффузно связан с галактиками, чем с обычной материей. Мы знаем что-нибудь еще об этом? У него вполне могут быть диссипативные механизмы. Это может даже иметь какой-то аналог химии.
Аабаакавад
1
Даже если какая-то случайная концентрация темной материи удастся сформировать черный трюм, у вас все еще есть регулярные старые атомы водорода и тому подобное, просвистывающие и высасывающие их за горизонт событий. Я ожидаю, что гибридная дыра, смешанная темная и нормальная материя, является наиболее распространенной формой.
странствующий незнакомец
2
@Aabaakawad Мы действительно ничего не знаем о темной материи (или темной энергии), кроме тех наблюдений, которые указывают, что они существуют. Есть некоторые предположения, что существует «темный сектор», который представляет собой негравитационную физику в значительной степени исключительно между темной материей. Моделирование имело разную степень успеха без темного сектора, поэтому предполагается, что существование сектора может привести к более точному моделированию: ненулевое сечение взаимодействия (возможно, «темные взаимодействия») дало бы темное Неважно, каким образом можно сбросить гравитационную энергию.
Зибадава Тимми
@zibadawatimmy, см. цитаты в сноске в моем ответе.
Aabaakawad
9

Как указал Роб Джеффрис, формирование черной дыры (ЧД) из темной материи (ДМ) невозможно ( если нет [гипотетического] взаимодействия, при котором темная материя может терять энергию, которая уклоняется от любого обнаружения). Аккорд DM в существующую ЧД по-прежнему маловероятен (так как DM не может потерять свою избыточную энергию и угловой момент так же легко, как газ), но не невозможен, и небольшая часть вещества, скопившегося в сверхмассивных ЧД (SMBH) в центрах галактики, вероятно, была темной.

Однако, как только материя переросла в ЧД, информация о ее происхождении (темная материя или барионная) теряется. Поэтому не имеет смысла говорить о черных дырах темной материи : черные дыры не имеют никаких свойств, кроме их массы, спина и заряда ( теорема об отсутствии волос ).

Это свойство делает изначальные черные дыры интересными в качестве кандидатов на темную материю, поскольку они не нарушают ограничений (например, из нуклеосинтеза большого взрыва ) относительно количества барионной материи. Тем не менее, AFAIK, исконные черные дыры не одобряются как кандидаты в DM (по причинам, выходящим за рамки этого ответа).

Вальтер
источник
1
Способствует ли DM значительному росту центральных черных мотыг галактик?
questionhang
@questionhang Как я уже сказал, « небольшая доля вещества, скопившегося в сверхмассивных ЧД (SMBH) в галактических центрах, была, вероятно, темной », я был бы удивлен, если бы ее было больше 1%, вероятно, намного меньше.
Уолтер
Почему? дм может быть сложно аккрецироваться чем барионное вещество?
questionhang
1
@questionhang Как я уже сказал, « поскольку DM не может потерять свою избыточную энергию и момент импульса так же легко, как газ ». Он может потерять его только через гравитационные взаимодействия (с чем угодно), но это очень неэффективно.
Уолтер
@ Вальтер, см. Цитаты в моей сноске в моем ответе.
Аабаакавад
5

Черные дыры - результат массы, настолько сконцентрированной, что гравитация не испускает ничего, включая свет. Единственное, что мы знаем о темной материи, это то, что она имеет массу и, кажется, взаимодействует с обычной материей только через гравитацию. Поскольку мы вообще не знаем физику темной материи, невозможно сказать, какие процессы могут сконцентрировать темную материю настолько, чтобы образовалась черная дыра, но теоретически черная дыра может образоваться из темной материи или даже из обычной материи и темной. иметь значение. Некоторые теоретики [ сноска ] даже считают, что это именно то, что представляют собой сверхмассивные черные дыры.

сноска : Иеремия П. Острикер из Принстонского университета, Столкновение с темной материей и происхождение массивных черных дыр , и Золтан Хайман из Колумбийского университета, Формирование первых массивных черных дыр . Также интересны эти документы , с 2011 года по настоящее время, со ссылкой на оригинальную статью Острикера.

Aabaakawad
источник
1
@Aabaakaward Можете ли вы назвать несколько имен "некоторых теоретиков"?
questionhang
@questionhang, Иеремия П. Острикер из Принстонского университета, см. arxiv.org/pdf/astro-ph/9912548.pdf (2000), и Золтан Хайман из Колумбийского университета, см. arxiv.org/pdf/1203.6075.pdf (2012), Также интересны эти документы, с 2011 года по настоящее время, со ссылкой на оригинальную статью Острикера, _see scholar.google.com/…
Aabaakawad,
Это интересный материал. По-видимому, наблюдательные пределы самовоздействия еще не достаточно низки, чтобы исключить это.
Роб Джеффрис
Вся эта идея столкновительной или самодействующей темной материи - просто красная сельдь. Нет веских причин делать это предположение, ведь холодная темная материя (МЧР), которая в большинстве случаев слабо взаимодействует вне гравитации, прекрасно согласуется со всеми данными. В случае возникновения напряженности, прогнозы (основанные на МЧР) не очень надежны, часто опираясь на численное моделирование с недостаточным разрешением. Конечно, пока нет прямого (или косвенного) обнаружения CDM, но это только означает, что он предположительно не сделан из WIMP (или с поперечным сечением намного ниже ожидаемого)
Уолтер