De ontdekking dat donkere materie mogelijk essentieel was voor de vorming van superzware zwarte gaten in het vroege universum, biedt een verrassende oplossing voor een al lang bestaand mysterie in de astrofysica.
Al lange tijd breken astronomen zich het hoofd over een hardnekkig probleem. Normaal gesproken hebben superzware zwarte gaten miljarden jaren nodig om te ontstaan. Toch ontdekte ruimtetelescoop James Webb ze al kort na de oerknal, veel eerder dan eigenlijk zou moeten kunnen. In een nieuwe studie hebben onderzoekers gepoogd het bestaan van deze mysterieuze zwarte gaten te verklaren. En volgens hen speelt donkere materie mogelijk een sleutelrol.
Vorming van zwarte gaten
Zoals gezegd duurt het ontzettend lang voordat een zwart gat, zoals dat in het centrum van onze Melkweg, ontstaat. Gewoonlijk vormt een zwart gat zich wanneer een enorme ster, minstens 50 keer zwaarder dan onze zon, opbrandt – een proces dat een miljard jaar kan duren – waarna zijn kern implodeert. Het zwarte gat in het hart van onze Melkweg, Sagittarius A*, heeft echter een massa van maar liefst vier miljoen zonnen. Ook in andere sterrenstelsels zijn vergelijkbare superzware zwarte gaten van miljarden zonsmassa’s gevonden. Deze enorme zwarte gaten kunnen ontstaan uit kleinere zwarte gaten door gas en sterren te verzamelen en door samenvoegingen met andere zwarte gaten, een proces dat miljarden jaren kan duren.
Superzware zwarte gaten in het piepjonge universum
Het opmerkelijke is alleen dat de Webb-telescoop superzware zwarte gaten heeft ontdekt in het piepjonge universum, kort na de oerknal. Hoe is het mogelijk dat deze zwarte gaten al zo vroeg bestaan, veel eerder dan verwacht? “Het is verrassend om een superzwaar zwart gat van een miljard zonsmassa’s te vinden terwijl het universum zelf nog maar een half miljard jaar oud is,” legt onderzoeker Alexander Kusenko uit. “Het voelt alsof je een moderne auto vindt tussen dinosaurusskeletten en je je afvraagt wie die auto in de prehistorie heeft gebouwd.”
Gaswolk
Sommige astrofysici hebben gesuggereerd dat een enorme gaswolk kan instorten om een superzwaar zwart gat te vormen. Op die manier zou het de lange processen van sterverbranding, gasaccumulatie en fusies kunnen omzeilen. Maar er is een probleem: hoewel de zwaartekracht een grote gaswolk kan aantrekken, trekt het niet samen tot één grote wolk. In plaats daarvan vormt het verschillende kleinere halo’s van gas die dicht bij elkaar blijven drijven, maar geen zwart gat creëren.
Afkoeling
De reden daarvoor is dat de gaswolk te snel afkoelt. Terwijl het gas nog warm is, kan de druk de zwaartekracht tegenwerken. Zodra het gas afkoelt, vermindert de druk en krijgt de zwaartekracht de overhand in verschillende kleine gebieden, waardoor deze instorten in dichte objecten voordat de zwaartekracht de hele wolk tot één zwart gat kan samenpersen. “De snelheid waarmee het gas afkoelt, hangt sterk af van de hoeveelheid moleculair waterstof,” legt onderzoeker Yifan Lu uit. “Wanneer waterstofatomen zich in moleculen binden, geven ze energie vrij als ze in contact komen met losse waterstofatomen. Deze waterstofmoleculen fungeren als koelmiddelen doordat ze warmte absorberen en uitstralen. In het vroege universum bevatte het gas te veel moleculair waterstof, waardoor het snel afkoelde en kleine halo’s vormde in plaats van grotere wolken.”
Straling
In de nieuwe studie hebben onderzoekers alle mogelijke processen die hierbij komen kijken, gesimuleerd. En ze kwamen tot een opvallende ontdekking. Extra straling kan het gas namelijk verwarmen en de waterstofmoleculen splitsen. Dit verandert op zijn beurt de manier waarop het gas afkoelt. “Als je straling toevoegt, breekt het moleculair waterstof af en creëert het omstandigheden die voorkomen dat grote wolken uiteenvallen,” stelt Lu. En op die manier kunnen superzware zwarte gaten dus wél ontstaan.
Donkere materie
Maar dan rijst de volgende belangrijke vraag: waar komt die straling precies vandaan? De onderzoekers vermoeden dat donkere materie de ‘schuldige’ is. Slechts een klein gedeelte van de materie in het universum bestaat uit de stoffen waaruit onze lichamen, onze planeet, de sterren en alles wat we kunnen waarnemen, zijn opgebouwd. Het grootste deel van de materie bestaat uit onbekende deeltjes die wetenschappers nog niet hebben kunnen identificeren en die alleen zijn opgespoord door hun gravitationele effecten op sterren en door de kromming van licht van verre objecten.
Fotonen
De vormen en eigenschappen van donkere materie blijven een mysterie dat nog opgelost moet worden. Hoewel we niet precies weten wat donkere materie is, hebben deeltjesfysici al lange tijd gespeculeerd dat het instabiele deeltjes kan bevatten die vervallen in fotonen, deeltjes van licht. Het opnemen van dit soort donkere materie in simulaties leverde de straling die nodig is om het gas in een grote wolk te houden terwijl het in een zwart gat verandert.
Verval
Donkere materie zou kunnen bestaan uit deeltjes die langzaam vervallen, of uit verschillende soorten deeltjes: sommige stabiel en andere die in vroege tijden vervallen. In beide gevallen kan het verval straling in de vorm van fotonen produceren, die moleculair waterstof splitsen en voorkomen dat waterstofwolken te snel afkoelen. Zelfs een kleine hoeveelheid verval van donkere materie kan genoeg straling genereren om de afkoeling tegen te gaan, waardoor grote wolken kunnen ontstaan die uiteindelijk leiden tot superzware zwarte gaten.
Kortom, mogelijk voorkwam donkere materie dus dat waterstof afkoelde, waardoor de zwaartekracht het gas kon samenpersen in grote, dichte wolken die uiteindelijk zwarte gaten vormden. “Dit zou kunnen verklaren waarom we al zo vroeg in het universum superzware zwarte gaten tegenkomen,” concludeert mede-auteur Zachary Picker. Deze ontdekking kan onze ideeën over hoe en wanneer superzware zwarte gaten ontstaan, ingrijpend veranderen en biedt een veelbelovende richting voor toekomstig onderzoek naar donkere materie. Als vervolgstudies deze bevindingen bevestigen, kan dit bovendien niet alleen ons begrip van het vroege universum verdiepen, maar ook belangrijke inzichten verschaffen in de basisprincipes van kosmologie en deeltjesfysica.
