Det ser ut til at de fleste galakser har supermassive svarte hull i midten.

Disse monstrene har en masse på hundre tusen til milliarder av ganger mer enn en stjerne. De gomler i seg gass og stjerner som kommer for nært.

Svarte hull kan dannes når en stor stjerne dør og kollapser inn i seg selv. Men forskere er ikke sikre på hvordan de supermassive kjempene ble dannet tidlige i universets historie.

Carlos R. Argüelles ved National University of La Plata i Argentina har sammen med tre forskerkolleger sett nærmere på et forslag: Kan supermassive svarte hull ha blitt laget direkte av mørk materie?

Det mørke stoffet

Mørk materie er den massen i universet som ikke er gjort rede for. Denne usynlige massen skal utgjøre seks ganger så mye som den synlige massen i universet.

Det er foreslått at den mørke materien ganske enkelt er vanlige atomer som er vanskelig å oppdage, slik som brune dverger og gass. Men de fleste fysikere tror mørk materie er en type partikkel som ikke er oppdaget enda.

Forskere ser for seg at den mørke materien ligger som en diffus boble eller halo rundt galaksene, og at den strekker seg utenfor de ytterste stjernene.

- Det er stjernene man ser i galaksen, men største delen av galaksen er det som vi ikke ser, nemlig mørk materie. Vi kaller det en mørk materie-halo, sier Torsten Bringmann til forskning.no.

Han forsker på mørk materie og er professor ved Universitetet i Oslo.

Mørk materie skaper den ekstra tyngdekraften som må til for at stjernene holder seg på plass. En mørk materie-halo skal for eksempel kunne forklare hvorfor melkeveien roterer raskere enn den burde.

Skyer med en tett kjerne

Forskerne bak en ny teoretisk studie foreslår at supermassive svarte hull ble dannet direkte fra mørk materie tidlig i universets historie.

De fant nemlig ut at skyer eller haloer av mørk materie kan ha tette kjerner. Her kan det bli så tett at stoffet kollapset ned til et supermassivt svart hull, så snart en kritisk grense ble nådd.

Forskerne foreslår at den kritiske tettheten kanskje ikke ble nådd i små dverggalakser. Her kan kjernen av mørk materie etterligne et svart hull, mens den ytre haloen kan forklare de observerte rotasjonskurvene for slike galakser, ifølge en pressemelding om studien.

- Denne modellen viser hvordan mørke materie-haloer kan ha tette konsentrasjoner i kjernen, noe som kan spille en avgjørende rolle for å forstå hvordan supermassive svarte hull ble laget, sier Carlos R. Argüelles i pressemeldingen.

Oppstod tidlig

Hypotesen kan ifølge forskerne forklare hvordan supermassive svarte hull ble dannet så tidlig i universet.

Det er funnet enorme svarte hull som ble til lenge før universet rundet en milliard år. I 2017 meldte NASA om det eldste supermassive svarte hullet som er funnet. 690 millioner år etter big bang, var kjempen allerede 800 millioner ganger mer massiv enn sola.

Det finnes flere forslag til hva som laget dem, ifølge Store norske leksikon. De kan ha blitt laget av vanlige svarte hull, «frø», som trakk inn mer og mer materiale og vokste over lang tid.

En annen hypotese er at svarte hull fra klynger av døde stjerner har smeltet sammen. Eller supermassive svarte hull kan ha blitt laget direkte fra kollapsende gasskyer tidlig i universet.

- Dette nye formasjonsscenariet kan tilby en naturlig forklaring på hvordan supermassive svarte hull ble dannet i det tidlige universet, uten å kreve at det skjer stjernedannelse først eller å måtte ha med frø av svarte hull med urealistisk rask vekst, sier Argüelles.

Har vært foreslått før

Torsten Bringmann ved Universitetet i Oslo har sett på den nye studien.

Han sier at det ikke er første gang mørk materie foreslåes å være opphavet til supermassive svarte hull.

- Forskerne hevder de har gjort den mest realistiske analysen så langt, sier Bringmann.

- De beskriver fordelingen av antallet mørk materiepartikler, og hvor fort de beveger seg i begynnelsen, altså når haloen eller disse strukturene begynner å dannes.

Resultatet ble halomodeller med et stort svart hull i midten.

- Ville det vært forskjell på et supermassivt svart hull laget av mørk materie eller vanlig materie?

- Nei. Det er et av de spennende resultatene fra generell relativitetsteori. Et svart hull beskrives bare av tre tall. Kun massen, hvor fort det spinner og ladningen.

Ladning er egentlig ikke relevant heller, for hvis det svarte hullet er negativt ladet, vil det bare trekke til seg positiv ladning med en gang.

- Så det er egentlig bare to tall som fullstendig beskriver et svart hull. Du kan kaste inn et helt bibliotek, og all informasjonen forsvinner bare og blir til to tall.

Sterile nøytrinoer

Bringmann forklarer at forskerne har valgt seg ut en mørk materie-kandidat som er ganske vanlig og kalles sterile nøytrinoer.

Nøytrinoer er unnvikende «spøkelsespartikler» som nesten ikke interagerer med vanlig materie. Det er foreslått at nøytrinoene kan ha et tyngre søsken som altså blir kalt sterile nøytinoer. Disse hypotetiske partiklene påvirkes kun av tyngdekraften og ikke av de andre naturkreftene.

Akkurat innenfor grensen

Forskerne foreslår at partikkelen deres skal ha en masse som er rett under grensen for hva som er ekskludert av observasjoner, sier Bringmann.

Han forklarer.

Det som kalles standardmodellen i kosmologi, ΛCDM, beskriver universets utvikling ved hjelp av blant annet mørk energi og «kald» mørk materie. Denne modellen er det bred enighet om.

- At den mørke materien er kald betyr bare at den ikke har noen nevneverdig fart i begynnelsen av strukturdannelsen. De får bare opp farten når gravitasjonspotensialet dannes, når tyngdekraften akselererer dem, sier Bringmann.

Det setter en grense for hvor raskt partiklene kan bevege seg i begynnelsen, og hvilken masse de kan ha.

- Om de beveger seg for fort, da fungerer ikke strukturdannelsen i simuleringer, da stemmer det ikke med det man observerer på store skalaer, sier Bringmann.

Partiklene i studien er så raske eller «varme» som det går an innenfor modellen.

Om man helt tilfeldig skulle velge ut mørk materie-egenskaper, så skulle man ikke havne akkurat der, sier Bringmann.

- Men det er absolutt en mulighet.

En av mange mulige løsninger

Bringmann sier det er to velkjente problemer i teorier om galaksedannelse, som forskere prøver å løse.

- Vi vet at det finnes kjempestore sorte hull i sentrum av for eksempel for eksempel vår galakse og stort sett alle galakser. Man trenger dem for å forstå hvordan galakser ble dannet i det tidlige universet, sier Bringmann.

- Men et av problemene er at ingen vet egentlig hvor disse store svarte hullene kommer fra. Når forskere simulerer galaksedannelse, så gjør de stort sett slik at de bare sier, ok la oss bare anta at det finnes gigantiske sorte hull fra begynnelsen.

Når simuleringene så kjøres, ser det veldig likt ut som den faktiske utviklingen som er observert med kraftige teleskoper.

Det andre problemet er noe som kalles core-cusp problem og har med fordelingen av mørk materie i dverggalakser å gjøre, forklarer Bringmann. Her stemmer ikke simuleringene helt med det man forventer. Det blir for mye mørk materie i midten av dverggalakser.

- Det som er litt artig er at i den nye studien slår de sammen disse to problemene med en og samme beskrivelse. Så det er absolutt spennende, sier Bringmann.

Men det finnes flere modeller for hvordan problemene kan løses. Det blir nok ikke enighet om hva som er den beste forklaringen med det første.

Referanse:

Carlos R Argüelles, Manuel I Díaz, Andreas Krut og Rafael Yunis: «On the formation and stability of fermionic dark matter haloes in a cosmological framework», Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 31. desember 2020.

Dette sorte hullet er for stort