천문학

은하계에서 발견되지 않은 작은 블랙홀이 암흑 물질에 대한 설명이 될 수 있습니까?

은하계에서 발견되지 않은 작은 블랙홀이 암흑 물질에 대한 설명이 될 수 있습니까?


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내가 읽은 바에 따르면 은하 내에서 회전하는 별의 속도와 알려진 질량을 고려할 때 별의 속도는 너무 빨라 궤도에 머물 수 없습니다. 이것을 설명하기 위해 암흑 물질이 제안되었지만 궤도를 도는 별이없는 발견되지 않은 작은 블랙홀이있을 수 있습니까?


MACHO (거대한 조밀 한 후광 물체)는 암흑 덩어리의 일부를 구성하는 것으로 생각되며 이들 중 일부는 블랙홀로 간주되지만 일반적으로 블랙홀이 비에 대한 심각한 대안으로 간주되지 않는 몇 가지 매우 확실한 이유가 있습니다. baryonic 암흑 물질 :

1) 관찰 된 원소의 풍부함은 암흑 덩어리를 설명하기 위해 초기 우주에서 생성 된 중성 물질의 양과 일치하지 않습니다.

2) Microlensing은 항성 진화에 의해 형성된 블랙홀 크기의 MACHO를 검색하여 은하수에서 상당한 양의 암흑 물질을 만드는 것으로 배제합니다.

3) 부착을 통해 블랙홀을 관찰 할 수 있습니다. 블랙홀이 상당한 양의 암흑 물질을 만들기 위해서는 은하 내에서 눈에 띄지 않도록 고립 된 위치에 있어야합니다. 그러나 대부분의 암흑 물질은 회전 곡선을 설명하기 위해 은하수 전체에 고르게 분포되어야합니다.


암흑 물질로서의 블랙홀? 아이디어가 떨어지는 이유는 다음과 같습니다.

근처의 별에서 물질을 축적하는 거대한 블랙홀. 이미지 크레딧 : NASA / JPL-Caltech.

때로는 새로운 방식으로 우주를 바라 보면 놀라게됩니다. LIGO 협업이 중력파의 첫 번째 감지를 발표했을 때 그것은 우연과 가장 오래 지속되는 미확인 과학 예측 중 하나의 확인이었습니다.하지만 정확히 놀라운 것은 아닙니다. 놀라운 부분은 중력파의 근원이었습니다. 36 개와 29 개의 태양 질량으로 이루어진 두 개의 블랙홀은 우리가 초신성에서 기대하는 블랙홀보다 훨씬 더 큽니다. 적게 은하 중심에있는 것보다 더 크다. 아마도 이것은 이전에 불리했던 생각을 되 살릴 것입니다 : 블랙홀은 빅뱅 직후 인 우주의 아주 초기부터 주변에 있었다는 것입니다. 게다가 이것이 사실이라면 아마도 그들은 우주의 잃어버린 질량 인 암흑 물질을 구성했을 것입니다.

LIGO가 본 것과 비슷한 질량의 두 개의 블랙홀이 합쳐지는 그림. 이미지 크레딧 : SXS,. [+] Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) 프로젝트 (http://www.black-holes.org).

아이디어는 매우 간단합니다. 우리는 우주가 뜨겁고 밀도가 높고 빠르게 팽창하고 대략 균일 한 상태에서 시작되었음을 알고 있습니다. 당신이 어디에 있든, 중력은 근처의 질량을 당신쪽으로 당기려고 할 것이고, 광자의 복사 압력은 그 질량을 다시 밀어 내려고 할 것입니다. 그러나 작은 규모에서 평균보다 68 % (또는 그 이상) 밀도가 높은 공간 영역이 있다면 복사 압력은 중요하지 않습니다. 대신 중력 붕괴 블랙홀까지 불가피합니다. 이것이 우주의 특정 질량 규모 (예 : 1kg의 질량, 10 ^ 10kg의 질량 또는 심지어 30 개의 태양 질량)에서 발생하면 특정 질량의 원시 블랙홀이 많이 발생하게됩니다. . 그들은 우주 전체에 대략 균등하게 흩어져 있고, 은하 주위에 크고 산란하지만 덩어리 진 후광을 형성하고 암흑 물질의 훌륭한 후보가 될 것입니다.

은하계의 바리온 주변에 덩어리 진 암흑 물질 후광의 그림. 이미지 크레딧 : NASA, ESA,. [+] 및 T. Brown 및 J. Tumlinson (STScI).

이 아이디어가 처음 제안 되 자마자이 가능성에 대한 많은 제한이 있음을 인식했습니다. 질량이 시선과 먼 물체 사이를 지나갈 때마다 그 질량은 아인슈타인의 상대성 이론 덕분에 중력 렌즈처럼 작용합니다. 마이크로 렌즈로 알려진 이동하는 조밀하고 어두운 물체의 효과가 얼마 동안 검색되었습니다. 우리 은하의 후광에 이러한 조밀 한 질량으로 인해 일부 마이크로 렌즈가 보이지만,이 원시 블랙홀의 더 큰 끝에있을 수있는 물질의 일부를 제한하는 한 더 유용했습니다. 또한 블랙홀이 너무 작은 대량으로 호킹 방사선으로 인해 증발합니다. 모든 말, 관찰

  • 호킹 방사선의 부족,
  • 감마선 버스트 마이크로 렌즈,
  • 구상 성단에서 중성자 별 포획,
  • 기존 마이크로 렌즈,
  • 우주 적외선 및 마이크로파 배경,

다양한 질량 범위에 걸쳐 암흑 물질의 대부분을 구성하는 원시 블랙홀을 가질 수 없다고 말해주세요.

Primordial Black Holes의 암흑 물질에 대한 제약. 이미지 크레딧 : Fabio Capela의 그림 1,. [+] Maxim Pshirkov 및 Peter Tinyakov (2013), http://arxiv.org/pdf/1301.4984v3.pdf.

위의 그래프를 보면

30 개의 태양 질량 (또는 약 6 × 10 ^ 34g)은 완전히 배제되며, 암흑 물질의 약 0.01 %만이 그 질량과 함께 존재할 수 있습니다. 그러나 Alexander Kashlinsky의 최근 논문은 우주적 적외선 배경 제약에 대한 이러한 초기 주장을 의심하고 대신 실제로 이러한 원시 블랙홀이 될 수있는 여러 소스가 존재한다고 주장합니다.

왼쪽 : 큰곰 자리 하늘의 적외선보기. 오른쪽 : 알려진 소스가 마스크 된 향상된보기,. 적외선 배경의 변동을 나타내는 [+]. 크레딧 : NASA / JPL-Caltech / A. Kashlinsky (Goddard).

우주 적외선 배경을 사용하는 대신 억누르다 원시 블랙홀 인 Kashlinsky는 암흑 물질의 100 %를 구성한다는 가정을 사용하여 설명 우주 적외선 배경 :

"우리는 실제로 LIGO 발견이 DM을 구성하는 PBH를 나타내는 경우, 추가 [.] 변동이 초기에 훨씬 더 큰 붕괴율로 이어질 것이며, 이는 자연스럽게 관찰 된 [우주 적외선 배경 수준을 생성 할 것입니다. ] 변동. "

안타깝게도 문제는 다른 제약이 있다는 것입니다.

우주 마이크로파 배경의 원시적 인 변동. 이미지 크레딧 : ESA 및 Planck. [+] 협업.

우주 마이크로파 배경 (위)의 변동은 전체 암흑 물질의 0.1 % 이상이 원시 블랙홀에있을 수 없음을 알려줍니다.

30 개의 태양 질량, 여기서 그것에 대한 유일한 주장은 (Bird et al. (2006)에 의해)이 물리학에 정량화되지 않은 약간의 불확실성이 있고 아마도 그러한 불확실성은이 경계를 피할 수있을만큼 충분히 크다는 것입니다. 사실 : 이러한 동기가 좋지 않지만 100 % 배제되지 않은 경우 원시 블랙홀이

30 개의 태양 질량, 그리고 그것들이 우주 적외선 배경을 설명하고, 움직이는 블랙홀에 대한 가스의 복사 과정에 대한 우리의 이해가 매우 정확하지 않다면 아마도이 블랙홀은 결국 암흑 물질이 될 수 있습니다. 그러나 또 다른 설명이 훨씬 더 가능성이 있습니다.

타란툴라 성운의 중심에있는 병합 성단의 허블 우주 망원경,. [+] 지역 그룹에서 알려진 가장 큰 별 형성 지역. 이미지 크레딧 : NASA, ESA 및 E. Sabbi (ESA / STScI) 감사의 말 : R. O'Connell (버지니아 대학교) 및 Wide Field Camera 3 과학 감독위원회.

우리가 별을 생성 할 때, 우리는 폭발적으로 그렇게하는데, 가장 거대한 항성 폭발은 태양 질량의 50 배에서 250 배 이상에 이르는 수십 개의 별을 생성합니다. 이 별들은 모두 핵 붕괴 초신성에서 불과 몇 백만 년 만에 그들의 삶을 끝낼 것이며, 가장 안쪽의 핵은 블랙홀을 초래합니다. 태양 질량이 50 배 미만인 별은 태양 질량의 약 10 배 이하의 블랙홀을 생성 할 가능성이 있지만 가장 큰 별은 태양 질량의 20, 30, 50 또는 잠재적으로 100 배가 넘는 블랙홀을 생성 할 수 있습니다. 이것이 블랙홀이 어디에서 왔는지에 대한 주요 이론이며, 알려진 가장 거대한 성단 인 R136은 실제로 태양 질량 100 개 이상의 구성원 6 개를 포함하여 최소 24 개의 독립적 인 별을 포함하는 단일 농도 (R136a)를 포함하고 있습니다.

중앙에 R136a1이있는 거대한 성단 R136. 이미지는 고해상도로 얻어졌습니다. [+] ESO의 Very Large Telescope에서 MAD 적응 형 광학 기기로. 이미지 크레딧 : ESO / P. Crowther / C.J. 에반스.

가장 큰 두 멤버 인 R136a1과 R136a2는

각각 195 개의 태양 질량을 가지고 있으며, LIGO 톱 질량 범위에서 블랙홀을 쉽게 일으킬 수 있습니다. 또한 그들은 서로 이진 시스템에 있기 때문에 미래의 영감과 합병은 완전히 합리적 영역 내에 있습니다. 물론, 태양 질량 30 개 정도의 블랙홀이 암흑 물질이 될 수 있다는 것이 100 % 배제 된 것은 아니지만 가장 가능성있는 설명과는 거리가 멀다. 물리학에서, 삶에서와 마찬가지로 현명한 돈은 우리가 방금 본 새로운 현상에 대한 가장 가능성있는 설명으로 이미 알려진 것에 베팅하는 것입니다. 더 공상적인 가능성이 우리의 상상력을 촉발시킬 수 있지만, 그럴 가능성이 가장 높습니다. 이제 이유를 알 수 있습니다.


블랙홀이 암흑 물질 일 수 있습니까?

“[블랙홀]은 우리에게 공간은 종이처럼 구겨져 무한한 점으로 변할 수 있고, 시간은 불꽃처럼 꺼질 수 있으며, 우리가 '신성한'것으로 간주하는 물리학 법칙은 불변, 아무것도 아닙니다.” -존 휠러

때로는 새로운 방식으로 우주를 바라 보면 놀라게됩니다. LIGO 협업이 중력파의 첫 감지를 발표했을 때 그것은 우연과 과학에 대한 가장 오래 지속되는 미확인 예측 중 하나를 확인하는 것이었지만 정확히 놀랍지는 않았습니다. 놀라운 부분은 중력파의 근원이었습니다. 36 개와 29 개의 태양 질량으로 이루어진 두 개의 블랙홀은 우리가 초신성에서 기대하는 블랙홀보다 훨씬 더 큽니다. 적게 은하 중심에있는 것보다 더 크다. 아마도 이것은 이전에 불리했던 생각을 되 살릴 것입니다 : 블랙홀은 빅뱅 직후 인 우주의 아주 초기부터 주변에 있었다는 것입니다. 게다가 이것이 사실이라면 아마도 그들은 우주의 잃어버린 질량 인 암흑 물질을 구성했을 것입니다.

아이디어는 매우 간단합니다. 우리는 우주가 뜨겁고 밀도가 높고 빠르게 팽창하고 대략 균일 한 상태에서 시작되었음을 알고 있습니다. 당신이 어디에 있든, 중력은 근처의 질량을 당신쪽으로 당기려고 할 것이고, 광자의 복사 압력은 그 질량을 다시 밀어 내려고 할 것입니다. 그러나 작은 규모에서 평균보다 68 % (또는 그 이상) 밀도가 높은 공간 영역이 있다면 복사 압력은 중요하지 않습니다. 대신 중력 붕괴 블랙홀까지 불가피합니다. 이것이 우주의 특정 질량 규모 (예 : 1 킬로그램 질량, 10¹⁰ 킬로그램 질량, 또는 태양 질량 30 개)에서 발생하면 특정 질량의 원시 블랙홀이 많이 발생합니다. 그들은 우주 전체에 대략 균등하게 흩어져 있고 은하 주위에 크고 산란하지만 덩어리 진 후광을 형성하며 암흑 물질의 훌륭한 후보가 될 것입니다.

이 아이디어가 처음 제안 되 자마자이 가능성에 대한 많은 제한이 있음을 인식했습니다. 질량이 시선과 먼 물체 사이를 지나갈 때마다 그 질량은 아인슈타인의 상대성 이론 덕분에 중력 렌즈처럼 작동합니다. 마이크로 렌즈로 알려진 이동하는 조밀하고 어두운 물체의 효과가 어느 정도 검색되었습니다. 우리 은하의 후광에서 이러한 조밀 한 질량으로 인해 일부 마이크로 렌즈가 보이지만,이 원시 블랙홀의 더 큰 끝에있을 수있는 물질의 일부를 제한하는 한 더 유용했습니다. 또한 블랙홀이 너무 작은 대량으로 호킹 방사선으로 인해 증발합니다. 모든 말, 관찰

  • 호킹 방사선의 부족,
  • 감마선 버스트 마이크로 렌즈,
  • 구상 성단에서 중성자 별 포획,
  • 전통적인 마이크로 렌즈,
  • 우주 적외선 및 마이크로파 배경,

다양한 질량 범위에 걸쳐 암흑 물질의 대부분을 구성하는 원시 블랙홀을 가질 수 없다고 말해주세요.

위의 그래프를 보면

30 개의 태양 질량 (약 6 × 10³⁴ g)은 완전히 배제되어 있으며, 그 질량과 함께 암흑 물질의 약 0.01 % 만 존재할 수 있습니다. 그러나 Alexander Kashlinsky의 최근 논문은 우주적 적외선 배경 제약에 대한 이러한 초기 주장을 의심하고 대신 실제로 이러한 원시 블랙홀이 될 수있는 여러 소스가 존재한다고 주장합니다.

우주 적외선 배경을 사용하는 대신 억누르다 원시 블랙홀 인 Kashlinsky는 암흑 물질의 100 %를 구성한다는 가정을 사용하여 설명 우주 적외선 배경 :

“실제로 LIGO 발견이 DM을 구성하는 PBH를 나타내는 경우, 추가 […] 변동은 초기에 훨씬 더 큰 붕괴율로 이어질 것이며, 이는 자연스럽게 관찰 된 수준의 [우주 적외선 배경]을 생성 할 것입니다. ] 변동.”

안타깝게도 문제는 다른 제약이 있다는 것입니다.

우주 마이크로파 배경 (위)의 변동은 전체 암흑 물질의 0.1 % 이상이 원시 블랙홀에있을 수 없음을 알려줍니다.

30 개의 태양 질량, 여기서 그것에 대한 유일한 주장은 (Bird et al. (2006)에 의해)이 물리학에 정량화되지 않은 불확실성이 있고, 아마도 그러한 불확실성은이 경계를 피할 수있을만큼 충분히 크다는 것입니다. 사실 : 이러한 동기가 좋지 않지만 100 % 배제되지 않은 경우 원시 블랙홀이

30 개의 태양 질량, 그리고 그것들이 우주 적외선 배경을 설명하고, 움직이는 블랙홀에 대한 가스의 복사 과정에 대한 우리의 이해가 매우 정확하지 않다면 아마도이 블랙홀은 결국 암흑 물질이 될 수 있습니다. 그러나 또 다른 설명이 훨씬 더 가능성이 있습니다.

우리가 별을 생성 할 때, 우리는 폭발적으로 그렇게하는데, 가장 거대한 항성 폭발은 태양 질량의 50 배에서 250 배 이상에 이르는 수십 개의 별을 생성합니다. 이 별들은 모두 핵 붕괴 초신성에서 불과 몇 백만 년 만에 그들의 삶을 끝낼 것이며, 가장 안쪽의 핵은 블랙홀을 초래합니다. 태양 질량이 50 개 미만인 별은 태양 질량의 약 10 개 또는 그보다 더 작은 블랙홀을 생성 할 가능성이 있지만 가장 큰 별은 20, 30, 50 또는 잠재적으로 우리 태양 질량의 100 배가 넘는 블랙홀을 생성 할 수 있습니다. 이것이 블랙홀이 어디에서 왔는지에 대한 주요 이론이며 알려진 가장 거대한 성단 인 R136은 실제로 태양 질량 100 개 이상의 구성원 6 개를 포함하여 최소 24 개의 독립적 인 별을 포함하는 단일 농도 (R136a)를 포함하고 있습니다.

가장 큰 두 멤버 인 R136a1과 R136a2는

각각 195 개의 태양 질량을 가지고 있으며, LIGO 톱 질량 범위에서 블랙홀을 쉽게 일으킬 수 있습니다. 또한 그들은 서로 이진 시스템에 있기 때문에 미래의 영감과 합병은 완전히 합리적인 영역 내에 있습니다. 물론, 태양 질량 30 개 정도의 블랙홀이 암흑 물질이 될 수 있다는 것이 100 % 배제 된 것은 아니지만 가장 가능성있는 설명과는 거리가 멀습니다. 물리학에서, 삶에서와 마찬가지로 현명한 돈은 우리가 방금 본 새로운 현상에 대한 가장 가능성있는 설명으로 이미 알려진 것에 베팅하는 것입니다. 더 공상적인 가능성이 우리의 상상력을 자극 할 수 있지만 그럴 가능성이 가장 높습니다. 이제 이유를 알 수 있습니다.


암흑 물질의 새로운지도는 은하 사이에 발견되지 않은 다리를 보여줍니다

Penn State의 천체 물리학 자들은 머신 러닝을 사용하여 지역 우주에서 새로운 암흑 물질지도를 만들었습니다. 이지도는 이전에 발견되지 않은 은하계를 연결하는 필라멘트 구조를 보여줍니다.

시간이 지남에 따라 우주는 계속해서 팽창하고 있습니다. 이 확장으로 우주의 복잡성도 증가했기 때문에 암흑 물질에 대해 로컬에서 측정하는 것이 상당히 어렵습니다.

과거의 연구에서 과학자들은 우주 웹의지도를 만들기 위해 초기 우주와 수십억 년에 걸친 진화 모델을 사용했습니다. 그러나이 방법은 계산 집약적이며 지역 우주를 볼 수있을만큼 상세한 결과를 생성 할 수 없었습니다.

이 새로운 연구에서 천체 물리학 자들은 완전히 다른 접근 방식을 사용했습니다. 그들은 기계 학습을 사용하여 은하의 분포 및 운동에 대한 정보를 사용하여 암흑 물질의 분포를 예측하는 모델을 구축했습니다.

이 모델은 Illustris-TNG라는 대규모 은하 시뮬레이션 세트를 사용하여 구축 및 훈련되었습니다. 데이터 세트에는 은하, 가스, 기타 가시적 물질 및 암흑 물질이 포함됩니다.

은하수에 필적하는 시뮬레이션 된 은하를 신중하게 선택함으로써 팀은 암흑 물질 분포를 예측하는 데 필요한 은하의 특성을 식별 할 수있었습니다.

펜실베이니아 주립 천문학과 천체 물리학 부교수이자이 연구의 교신 저자 인 정동희는 이렇게 말했다. 특정 정보가 주어지면 모델은 이전에 살펴본 내용을 기반으로 근본적으로 공백을 채울 수 있습니다. 우리 모델의지도는 시뮬레이션 데이터에 완벽하게 맞지 않지만 여전히 매우 상세한 구조를 재구성 할 수 있습니다. 우리는 은하의 운동 '특이한 방사 속도'와 분포를 포함하여지도의 품질을 크게 향상시키고 이러한 세부 사항을 볼 수 있음을 발견했습니다. & # 8221

그런 다음 모델은 Cosmicflow-3 은하 카탈로그에서 지역 우주의 실제 데이터에 적용되었습니다. 카탈로그에는 200 메가 파섹 이내의 은하수 & # 8212 근처에있는 17,000 개 이상의 은하의 분포 및 이동에 대한 포괄적 인 데이터가 포함되어 있습니다.

이지도는 '로컬 시트', 은하수를 포함하는 공간 영역, '지역 그룹'의 인근 은하, 처녀 자리 은하단의 은하 등 지역 우주에서 알려진 저명한 구조를 연속적으로 재현했습니다. & # 8212 및 & # 8220local void & # 8221 & # 8212 로컬 그룹 옆에 비교적 빈 공간이 있습니다. 또한 은하를 연결하는 더 작은 필라멘트 구조를 포함하여 추가 조사가 필요한 몇 가지 새로운 구조를 확인했습니다.

정은 말했다. & # 8220 우주 웹의 지역지도가 있으면 우주 연구의 새로운 장이 열립니다. 우리는 암흑 물질의 분포가 다른 방출 데이터와 어떻게 관련되는지 연구 할 수 있으며, 이는 암흑 물질의 본질을 이해하는 데 도움이 될 것입니다. 그리고 우리는 이러한 필라멘트 구조, 은하 사이의 숨겨진 다리를 직접 연구 할 수 있습니다. & # 8221

두 은하를 연결하는 암흑 물질 필라멘트를 연구하는 것은 그들의 미래에 대한 중요한 통찰력을 제공 할 수 있습니다.

암흑 물질은 우주의 역학을 지배하기 때문에 우리의 운명을 결정합니다. 그래서 우리는 컴퓨터가 지역 우주에서 무슨 일이 일어날 지보기 위해 수십억 년 동안지도를 진화 시키도록 요청할 수 있습니다. 그리고 우리는 우주 이웃의 역사를 이해하기 위해 시간을 거슬러 올라가 모델을 진화시킬 수 있습니다. & # 8221

더 많은 은하에 대한 데이터를 추가함으로써 과학자들은지도의 정확도를 개선하기를 기대하고 있습니다.

이 연구는 교육부, 한국 과학부, 미국 과학 재단, 미국 항공 우주국 천체 물리학 이론 프로그램, 고급 계산 센터가 자금을 지원하는 한국 연구 재단의 일부 지원을 받았습니다. 한국 고등 교육원에서.

연구의 다른 공동 저자로는 서울 대학교 / 한국 천문 과학 연구소의 홍성욱, 한국 서울 대학교의 황호성, 한국 고등 연구원의 김주한이있다.


초대형 블랙홀의 기원? & # 8211 & # 8220 초기 은하의 암흑 물질 중심 & # 8221

새로운 이론적 연구는 초 거대 질량 블랙홀이“우주에서 가장 완벽한 거시적 물체, 그 구성의 유일한 요소는 초기에 형성된 공간과 시간 개념입니다. 우주. 이 제안은 '희석 한 암흑 물질 후광으로 둘러싸인 암흑 물질로 만들어진'안정한 은하 핵의 존재이며, 임계 임계 값에 도달하면 집중되어 초 거대 물체로 붕괴됩니다.

빅뱅 직후 조기 존재를 설명하다

이 대담한 추측은 오늘날 은하 진화 연구에서 가장 큰 문제 중 하나를 해결하는 빠른 별 형성의 필요성을 제거합니다. 빅뱅 이후 8 억 년에 관찰 된 초 거대 질량 블랙홀이 그렇게 빠르게 성장할 수 있다는 것입니다.

Royal Astronomical Society는 국제 팀이 '정상'물질을 포함하는 기존의 형성 시나리오가 아니라 은하 중심의 고밀도 영역에서 암흑 물질로부터 직접 형성 될 수있는 초 거대 질량 블랙홀이 허용되는 모델에 도전 할 수 있음을 발견했다고보고했습니다. 중력 물질 '별, 행성 및 모든 가시적 물체를 구성하는 원자와 원소'가 중력에 의해 붕괴되어 블랙홀을 형성하고 시간이 지남에 따라 성장합니다.

& # 8220이 새로운 형성 시나리오, & # 8221는 Universidad Nacional de La Plata의 연구원 인 Carlos R. Argüelles와 조사를 이끈 ICRANet은 말합니다. & # 8220 초기 우주에서 초 거대 질량 블랙홀이 어떻게 형성되었는지에 대한 자연스러운 설명을 제공 할 수 있습니다. 사전 별 형성이 필요하거나 비현실적인 증가율로 시드 블랙홀을 호출해야합니다. & # 8221

왜소 은하 암흑 물질이 기존의 중앙 블랙홀을 모방하다

새로운 모델의 또 다른 흥미로운 결과는 작은 암흑 물질 후광 (예를 들어 일부 왜소 은하 주변의 암흑 물질 후광)에 대해 블랙홀로 붕괴하는 임계 질량에 도달하지 못할 수 있으며, 더 작은 왜성은 예상되는 흑색이 아닌 중앙 암흑 물질 핵을 갖게됩니다. 구멍. 이러한 암흑 물질 코어는 여전히 기존의 중앙 블랙홀의 중력 신호를 모방 할 수있는 반면, 암흑 물질 외부 후광은 관측 된 은하 회전 곡선을 설명 할 수도 있습니다.

암흑 물질 헤일로 열쇠

이 모델은 암흑 물질 후광이 어떻게 그들의 중심에 밀집된 농도를 보유 할 수 있는지를 보여 주며, 이는 초대 질량 블랙홀의 형성을 이해하는 데 중요한 역할을 할 수 있습니다.

여기에서 우리는 이러한 핵심 후광 암흑 물질 분포가 실제로 우주적 틀에서 형성 될 수 있고 우주의 수명 동안 안정적으로 유지 될 수 있다는 것을 처음으로 입증했습니다. & # 8221

저자들은 더 많은 연구가 우리 우주의 가장 초기에 초 거대 질량 블랙홀 형성에 대해 더 많은 빛을 비추고 우리 은하수를 포함한 비활성 은하의 중심이이 짙은 어둠의 숙주 역할을 할 수 있는지 조사하기를 희망합니다 문제 코어.

Royal Astronomical Society를 통해 애리조나 대학의 NASA Einstein Fellow, Maxwell Moe와 함께하는 Daily Galaxy

페이지 상단 이미지 : 거대한 회전 디스크 은하 인 Wolfe Disk의 Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA)로 만든 발견은 우주가 현재 나이의 10 %에 불과했을 때 볼 수 있으며 기존 은하 모델에 도전합니다. 형성.

주 2 회 무료로 제공되는 우주 및 과학 이야기 '지구에서 우주를 통한 임의의 여정'은 우리 존재에 대한 단서를 제공하고 인류 세 시대에 필요한 우주적 관점을 추가 할 수있는 능력을 갖추고 있습니다.


푹신하지 않은 11 명의 난장이의 수수께끼

Brandt의 관심은 비교적 최근에 작고 겉보기에 매우 오래된 것으로 보이는 매우 희미한 성단의 발견에서 시작되었습니다.

이 성단 중 일부는 왜소은하라고 불릴만큼 충분히 크지 만 더 큰 은하보다 수십억 배 더 어둡습니다. 그러한 극도로 희미한 왜성은 믿을 수 없을 정도로 흔하다고 생각된다고 브랜트는 말한다. 아마도 가시 은하계보다 10 대 1 또는 100 대 1이 될 것이다.

거의 모든 젊고 밝은 별이 영겁에 걸쳐 타 버렸고, 이것이이 극도로 희미한 왜소 은하를 찾기가 어려운 이유입니다.

브란트는 "자신의 눈으로보고 있다면 결코 볼 수 없을 것"이라고 말했다. 브란트는 별이 수천 개만큼 작을 수 있다고 지적했다. "우리는 컴퓨터 알고리즘으로 약 10 년 동안 만 이러한 것들을 발견했습니다."

그들을 Brandt에게 매우 흥미롭게 만든 것은 이러한 클러스터 중 일부가 전혀 존재한다는 것입니다.

질량으로 볼 때 우리 은하수는 암흑 물질의 70 %에서 80 % 사이 어딘가에 있으며, 대부분은 은하의 바깥 가장자리 근처에 숨어 있습니다. 한편, 극도로 희미한 왜소은하는 약 99 %의 암흑 물질입니다.

브랜트는 "암흑 물질은 그들을 하나로 묶어 날아가는 것을 막고있다"고 말했다.

그것이 바로 브란트가 태양 질량의 20 ~ 100 배 (아직 배제되지 않은 MACHO의 크기 범위)의 오래된 블랙홀이 실제로 그곳에 존재하는지 확인할 수 있다는 것을 깨달은 곳입니다. 만약 그렇다면, 그들은 근처를 지나갈 때 별을 가속시켜 전체 성단이나 은하계가 수십억 년에 걸쳐 바깥으로 "부풀어 오르게"할 것입니다.

반면에 암흑 물질 입자의 확산 구름은 클러스터를 함께 붙일 수 있습니다.

Eri II는 3 ~ 120 억년 된 왜소 은하로 천문학 자들은 최근에 훨씬 더 큰 은하수 근처에 매달려 있다는 것을 거의 알아 차리지 못했습니다.

브란트의 계산에 따르면 성단의 암흑 물질이 MACHO로 만들어 졌다면 오래 전에 뿜어 져 나와 Eri II로 사라 졌을 것입니다.

그러나 거기에는 너무 조밀 한 작고 희미한 고대 성단과 모은 하가있었습니다.

그는 Eri II와 유사한 10 개의 왜소 은하가 똑같이 행동해야하지만 "우리는 부푼 매우 희미한 왜소 은하를 보지 못한다"고 지적했다.

"이 한 성단은 우연 일 수 있습니다.하지만 다른 모든 왜성 은하들을 보면, [암흑 물질]이 어떻게 태양 질량의 20 ~ 100 개 사이의 블랙홀이 될 수 있는지 모르겠습니다."라고 Brandt는 말했습니다.


& # 8220 빅뱅의 반딧불이 & # 8221 & # 8211 원시 블랙홀이 암흑 물질을 만들었나요?

스티븐 호킹의 동료 인 물리학 자 버나드 카는“원시 블랙홀의 정말 흥미로운 점은 원칙적으로 설명 할 수있는 미스터리가 너무 많다는 것입니다. '암흑 물질과 암흑 에너지의 존재는 그다지 적지 않습니다.'한 가지 흥미로운 가능성은 원시 블랙홀 개체군이 초기 우주에서 암흑 물질을 생성했을 수 있다는 것입니다. '라고 Dan Hooper가 대답했습니다. Fermilab의 이론적 천체 물리학 그룹 책임자가 데일리 갤럭시, Hooper에게이 찾기 어려운 유물을 발견함으로써 어떤 새로운 물리학이 드러날 수 있는지 묻습니다. '이 블랙홀이 처음에 백만 킬로그램 정도보다 가벼웠다면'후퍼는 덧붙였다. '빅뱅 이후 1 초 만에 증발했을 것이다. 이 증발 과정에서 암흑 물질을 포함하여 물질과 에너지의 이국적인 형태를 얼마든지 만들 수있었습니다. & # 8221

플랑크 질량 유물

태초의 블랙홀 & # 8212 기화하는 블랙홀의 플랑크-질량 유물 & # 8211 빅뱅 후 1 초 만에 원시 방사선의 직접적인 붕괴를 통해 생성 된, 블랙홀로 붕괴되기 전에 주변 광의 광선을 끌어 들였을 수 있습니다. 새로운 과학자를 위해. 원시 블랙홀이 진짜라면 우주론의 가장 큰 문제를 해결할 수있는 잠재력이 있습니다. 또한 그들은 매우 굉장하다고 그녀는 트윗했습니다.

1990 년대 후반까지 Hooper와 Gianfranco Bertone이 A History of Dark Matter에 썼습니다. 바리온 암흑 물질이 우주의 암흑 물질의 큰 부분을 구성하지 않는다는 것이 분명해졌습니다. 이러한 결과는 암흑 물질이 하나 이상의 새로운 입자 종으로 구성되어야 함을 암시하는 것처럼 보이지만,이 결론에 대한주의 사항이 남아 있습니다. 암흑 물질은 대신 빅뱅 핵 합성 시대 이전에 형성된 블랙홀과 아래의 질량으로 구성 될 수 있습니다. 마이크로 렌즈 조사의 감도 범위. & # 8221

"블랙홀의 수명은 질량에 따라 달라집니다. 크기가 작을수록 수명이 짧습니다."스페인 바스크 지방 대학의 Francesca Vidotto는 말합니다. 1974 년 스티븐 호킹 (Stephen Hawking)과 버나드 카 (Bernard Carr)가 제안한 원시 블랙홀의 가속화 된 증발은 방사능의 흔적을 찾을 수있는 명백한 장소가되었으며, 이로 인해 우주의 새벽에 서서히 줄어들고 결국에는 깜박이는 불빛이 증발합니다.

암흑 물질은 우주 구조의 중추로 간주되지만 과학자들은 입자가 지금까지 탐지를 회피했기 때문에 그 성질에 대해 거의 알지 못합니다. Hawking의 방사선 이론이 있은 지 40 년이 지났지 만 그러한 흔적은 발견되지 않았습니다. 실제로 존스 홉킨스 대학의 천체 물리학 자 Tommi Tenkanen은“암흑 물질이 무엇인지 모르지만 스칼라 입자와 관련이 있다면 빅뱅보다 오래되었을 수 있습니다.”라고 말합니다.

WIMPS 대 MACHOS

과학자들은 중력의 영향이 은하의 회전과 우주를 통과 할 때 빛이 휘는 방식에서 볼 수 있기 때문에 암흑 물질이 존재한다고 확신합니다. 암흑 물질의 주요 후보 중 하나 인 WIMP 또는 약하게 상호 작용하는 거대 입자는 매우 드문 경우에만 다른 물질과 상호 작용하는 것으로 생각되므로 아직 직접 감지되지 않았습니다.

1970 년 물리학 자 Ken Freeman은 놀라운 결론에 도달했습니다. 그는 만약 [데이터]가 정확하다면 광학적으로나 21cm에서 감지되지 않는 추가 물질이이 은하들에 존재해야한다는 것을 발견했습니다. 그것의 질량은 적어도 탐지 된 은하의 질량만큼 커야하며, 그것의 분포는 광학 은하를 유지하는 지수 분포와는 상당히 달라야합니다. & # 8221

프리먼 이후로 은하들은 그 안에있는 모든 가시적 인 물질을 주어야 할 것보다 더 빨리 회전하는 것이 관찰되어 왔으며, 우주 학자들은이 은하들 안에도 보이지 않는 "어두운"물질이 숨어 있다고 믿게되었고, 은하계에서 회전하는 데 필요한 중력을 제공합니다. 날아 가지 않고 우리가 보는 속도.

CERN의 Alvise Raccanelli는 2016 년에 VIRGO 및 LIGO 감지기가 중력파를 직접 관찰 한 후 "주요 블랙홀 (PBH)은 현재 가상의 물체로 남아 있습니다."라고 말합니다. 1971 년 스티븐 호킹이 처음 제안한 이들은 암흑 물질을 설명 할 수있는 후보로 최근 몇 년간 다시 등장했습니다. PBH의 존재에 대한 증거를 찾거나 그 존재를 배제하면 원시 우주의 물리학에 대한 정보를 제공합니다.

아마도 가장 흥미로운 옵션은 원시 블랙홀이 호킹 방사선을 통해 암흑 물질 입자 자체를 생성 할 수 있다는 것입니다. Hwking은 블랙홀 중 큰 것이 클수록 온도가 낮아져 더 적은 양의 입자를 방출한다고 예측했습니다. 수축함에 따라 가열되어 점점 더 많은 에너지를 방출합니다. 즉, 작은 원시 블랙홀은 더 크고 복잡한 입자를 분출 할 수 있습니다.

Hooper는“호킹 방사선에 의해 생성되는 입자의 종류는 블랙홀에 떨어지는 물질에 의존하지 않습니다. “The black hole doesn’t care what kind of particle you are, you’re just as likely to be made. That includes dark matter and everything else.” Whatever particles exist, whether they are predicted by the standard model of particle physics or not, should be emitted by primordial black holes as they evaporate. Ancient black holes would give us access to physics we would never otherwise be able to do”

The preferred candidate, writes Leah Green, “has long been vast numbers of tiny particles, each possessing mass but lacking the capacity to interact with ordinary matter. Yet although these weakly interacting massive particles, or WIMPs, remain the theoretical front runners, they have yet to show up in experiments, which is why physicists are now looking back at primordial black holes as a possible answer”

If WIMPs are found not to make up dark matter, MACHOs: massive compact halo objects, are ready to take their place. It has been theorized that dark matter could be made of these are large objects that float freely through space and emit little if any radiation, which would explain why we haven’t seen them. Neutron stars and starless planets have been proposed as MACHOs, as have primordial black holes.

“Primordial black holes are my favourite explanation for dark matter,” says Vidotto. Astronomical observations, however, have concluded that they are unlikely to account for all of dark matter, which means there must be something else out there to pick up the slack. If WIMPs made up the other part, we would expect them to surround every primordial black hole, drawn in by its gravitational pull. That higher density of WIMPs would increase the probability of WIMP-WIMP collisions, generating a distinctive shower of gamma rays that has never been seen.

“If one day we discovered even a few primordial black holes, you just have to concede that whatever dark matter is, not all of it is made of WIMPs,” says Dan Hooper, head of the theoretical astrophysics group at Fermilab in Illinois.

“If we can find primordial black holes and observe them in their last few seconds as they get to those high temperatures, it gives us access to physics that we’d never otherwise be able to do,” says Jane MacGibbon at the University of North Florida. If those massive particles do exist, they could turn the standard model on its head.

“I definitely think that primordial black holes are out there. I am convinced that we will find one,” says Carr.

Detected by LIGO?

It’s been hypothesized that there could be black holes that formed in the very early universe before stars existed at all.” said Savvas Koushiappas, an associate professor of physics at Brown University and coauthor of a study with Avi Loeb from Harvard University.

“The idea is very simple,” Koushiappas said. “With future gravitational wave experiments, we’ll be able to look back to a time before the formation of the first stars. So if we see black hole merger events before stars existed, then we’ll know that those black holes are not of stellar origin.”

The study published in Physical Review Letters outlined how scientists could use LIGO gravitational wave experiments to test the existence of primordial black holes, gravity wells formed just moments after the Big Bang that some scientists have posited could be an explanation for dark matter.

Some physicists, Crane observers, have speculated that LIGO may actually have already detected primordial black holes colliding, rather than standard stellar black holes, an idea not widely accepted by astrophysicists, but remains plausible.

“If the black holes which are detected by LIGO come from stars, those stars are in binary systems so you tend to get black holes that form with some spin,” says Carr. “But primordial black holes born in the early universe don’t tend to have spin.”

Another hint comes from calculations of when primordial black holes were most likely to have formed – when the pressure in the universe dipped slightly and allowed for more intense gravitational collapse. When they formed can tell us what their masses would probably be today. One of these dips lines up with a primordial black hole mass about 30 times that of the sun, similar to the masses of most of the LIGO black holes.

“We predicted before the LIGO detections that black holes of this size should have formed in the early universe,” says Juan García-Bellido at the Autonomous University of Madrid, Spain. “Most astronomers did not expect LIGO’s first black holes to be this massive, but they were.”

Some researchers, such as Carr and García-Bellido, suspect we may already have seen primordial black holes acting as lenses, but other objects could have been responsible.

So how do we know for sure if we have spotted a primordial black hole? A small size is one obvious sign, but some could be just as big as regular black holes – or, indeed, supermassive. Looking at how much energy they emit over time could help, says MacGibbon. “With most objects in astrophysics, you see the energy decaying with time, whereas an evaporating black hole would be rising higher and higher in temperature and energy,” she says.

“A pretty definitive way you could know you’re looking at primordial black holes would be to see a black hole binary system really far away, at a very early time in the universe,” says Adam Coogan at the University of Amsterdam in the Netherlands, as such systems with non-primordial black holes wouldn’t have been possible then.

“I definitely think that primordial black holes are out there,” says Juan Garcia-Bellido, Professor of Physics, Universidad Autónoma de Madrid. “I am convinced that we will find one.”

“We had to wait 100 years after gravitational waves were predicted before we found them, for black holes we had to wait 50 years, and if primordial black holes exist, we shouldn’t be too surprised if we have to wait another 50 years to find them,” concludes Stephen Hawking’s collaborator, Bernard Carr, Emeritus Professor of Mathematics and Astronomy at Queen Mary, University of London.


New study suggests supermassive black holes could form from dark matter

Artist's impression of a spiral galaxy embedded in a larger distribution of invisible dark matter, known as a dark matter halo (coloured in blue). Studies looking at the formation of dark matter haloes have suggested that each halo could harbour a very dense nucleus of dark matter, which may potentially mimic the effects of a central black hole, or eventually collapse to form one.
Credit: ESO / L. Calçada

A new theoretical study has proposed a novel mechanism for the creation of supermassive black holes from dark matter. The international team find that rather than the conventional formation scenarios involving ‘normal’ matter, supermassive black holes could instead form directly from dark matter in high density regions in the centres of galaxies. The result has key implications for cosmology in the early Universe, and is published in 왕립 천문 학회 월간 공지.

Exactly how supermassive black holes initially formed is one of the biggest problems in the study of galaxy evolution today. Supermassive black holes have been observed as early as 800 million years after the Big Bang, and how they could grow so quickly remains unexplained.

Standard formation models involve normal baryonic matter – the atoms and elements that that make up stars, planets, and all visible objects – collapsing under gravity to form black holes, which then grow over time. However the new work investigates the potential existence of stable galactic cores made of dark matter, and surrounded by a diluted dark matter halo, finding that the centres of these structures could become so concentrated that they could also collapse into supermassive black holes once a critical threshold is reached.

According to the model this could have happened much more quickly than other proposed formation mechanisms, and would have allowed supermassive black holes in the early Universe to form before the galaxies they inhabit, contrary to current understanding.

Carlos R. Argüelles, the researcher at Universidad Nacional de La Plata and ICRANet who led the investigation comments: “This new formation scenario may offer a natural explanation for how supermassive black holes formed in the early Universe, without requiring prior star formation or needing to invoke seed black holes with unrealistic accretion rates.”

Another intriguing consequence of the new model is that the critical mass for collapse into a black hole might not be reached for smaller dark matter halos, for example those surrounding some dwarf galaxies. The authors suggest that this then might leave smaller dwarf galaxies with a central dark matter nucleus rather than the expected black hole. Such a dark matter core could still mimic the gravitational signatures of a conventional central black hole, whilst the dark matter outer halo could also explain the observed galaxy rotation curves.

“This model shows how dark matter haloes could harbour dense concentrations at their centres, which may play a crucial role in helping to understand the formation of supermassive black holes,” added Carlos.

“Here we’ve proven for the first time that such core-halo dark matter distributions can indeed form in a cosmological framework, and remain stable for the lifetime of the Universe.”

The authors hope that further studies will shed more light on supermassive black hole formation in the very earliest days of our Universe, as well as investigating whether the centres of non-active galaxies, including our own Milky Way, may play host to these dense dark matter cores.


Physics at tiniest scale could explain ‘impossible’ black holes

Until recently, scientists had never detected black holes in the &ldquomass gap&rdquo&mdashnow, particle physicists are exploring ideas beyond the Standard Model that could explain them.

On May 21, 2019, a ripple in spacetime alerted scientists to what they thought was an impossible event: a collision between two black holes that should not have existed.

The LIGO and Virgo gravitational wave observatories had witnessed over a dozen black-hole collisions, but this merger was different. Both black holes were situated in the &ldquomass gap,&rdquo a range of masses that, for black holes, should be forbidden.

Black holes form when stars collapse at the end of their lives. (But they must be big enough stars the smallest ones become white dwarfs or neutron stars instead.)

While a star lives, the nuclear reactions and radiation in its interior provide an outward pressure that balances the inward pull of its gravity. When that balance is lost, a core-collapse supernova can leave behind a black hole with at most 50 times the mass of the sun.

At least, that&rsquos what happens to medium-sized stars. In the cores of larger stars, high densities and temperatures trigger the creation of electron-positron pairs, resulting in a more powerful explosion called a pair-instability supernova.

&ldquoThese electron-positron pairs provide gravity but no pressure, so the star starts to collapse prematurely,&rdquo says Djuna Croon, a postdoc at TRIUMF in Canada. &ldquoThe star becomes so hot that you can start to do nuclear reactions with the oxygen in the core. Then because the oxygen burns, you have this immediate explosion, and you&rsquore left with nothing.&rdquo

The most massive stars meet yet another end they can bypass the explosion to collapse into a black hole weighing at least 120 solar masses.

So a black hole can form with a mass less than about 50 or more than 120 times that of the sun, but no known mechanism allows a dying star to become a black hole with a mass in the gap between. Yet the gravitational waves spotted by LIGO and Virgo revealed black holes weighing 66 and 85 solar masses.

&ldquoFor months, I thought, &lsquoWell, we just haven&rsquot estimated the masses correctly. This can&rsquot be in the gap. There&rsquos no such thing as a black hole in the gap,&rsquo&rdquo says Maya Fishbach, a postdoc at Northwestern University and a member of the LIGO collaboration.

But the calculations held up.

The discovery has sparked a flurry of proposed explanations. Some are purely astrophysical: Maybe the two black holes that merged were in turn the children of prior mergers, or perhaps they were born below the mass gap and grew by gobbling up nearby objects. Some scientists question the LIGO/Virgo analysis, proposing instead that the larger black hole sits above the gap and the smaller below it.

But other scenarios explored by Croon and colleagues in a new paper on the arXiv preprint server look for an explanation at the tiniest scale&mdashparticle physics beyond the Standard Model.

Particles that are candidates for dark matter&mdashthe mysterious substance that forms 85% of the universe&rsquos matter&mdashcould also affect the inner workings of stars. For instance, photons could occasionally transform into &ldquohidden photons&rdquo that interact very weakly with ordinary matter and have a tiny but nonzero mass. While ordinary photons are continually absorbed and reemitted within a star, hidden photons would escape unscathed, carrying away some of the star&rsquos energy.

This extra loss of energy would set off &ldquoa little bit of a Rube Goldberg-type thing,&rdquo says co-author Sam McDermott, a theorist at the US Department of Energy&rsquos Fermi National Accelerator Laboratory.

The star would burn through its helium faster, which simulations suggest would give the star less oxygen in its old age. Having less oxygen, the star would need a larger mass to cross the threshold for a pair-instability supernova. Thus, black holes heavier than 50 solar masses could form.

Other hypothesized particles called axions would have a similar effect.

The presence of weakly interacting particles would affect more than just the final phase of a star&rsquos life. As a result, scientists can use astrophysical observations to place limits on the properties of these theoretical particles, says Masha Baryakhtar, who is currently investigating axions and hidden photons at New York University and was not involved with the new paper.

Baryakhtar questions whether new particle interactions could significantly shift black hole masses while remaining compatible with observations of all types of stars. But if the particles have the right mass, McDermott says, they could be created only in massive, hot stars&mdashso undiscovered particles cannot be ruled out as the reason we see these seemingly impossible black holes.

&ldquoIt&rsquos tantalizing that through simulating the evolution of these early stars, you can learn about the tiniest particles that have been proposed,&rdquo Croon says. &ldquoWe&rsquore using very large black holes to study very small particles, and I just think that is fascinating.&rdquo

Another of the team&rsquos proposals hinges not on extra particles, but on extra spatial dimensions. Physicists have long speculated that in addition to the three dimensions we see, more dimensions could lie curled up at the subatomic scale. If these dimensions are large enough, energy from the interiors of stars could leak into them.

&ldquoYou can think of these large extra dimensions as Tupperware containers,&rdquo says Ronald Gamble, a postdoc at the National Strategic Research Institute who studies extensions of general relativity and was not involved with the new work. &ldquoAfter you&rsquove finished your main meal that exists in the three dimensions, you can put your leftover food in them to save for later. That&rsquos what we believe gravity may be doing.&rdquo

In contrast to hidden particles carrying energy away from the star, the extra dimensions would hide energy within the star, but the result would be the same: Both the lower and upper bounds of the mass gap would increase.

A third possibility, modified gravity, would overturn an assumption held by both Isaac Newton and Albert Einstein. The inherent strength of gravity, instead of being constant throughout the entire universe, could depend on the cosmic environment. So different regions in space would have different mass gaps. In regions where gravity is stronger, both pair-instability supernovae and the shortcut taken by the largest stars would kick in at lower masses, putting the mysterious black holes above the local mass gap rather than within it.

All these beyond-the-Standard-Model ideas excite Fishbach. &ldquoIt&rsquos really cool that we&rsquore constraining fundamental physics by measuring black hole masses,&rdquo she says. &ldquoUnfortunately, astrophysics is really messy, so we have to disentangle the fundamental physics from the astrophysics.&rdquo

To narrow down the possible explanations, physicists must observe more mergers in and near the mass gap&mdasha goal well within reach as gravitational-wave astronomy continues to blossom.

In October, the LIGO/Virgo collaboration published its latest batch of data, bringing the running total to 47 black hole mergers, including two more that seem to feature at least one black hole in the mass gap. And a new gravitational-wave observatory in Japan, KAGRA, ran for two months earlier this year.

&ldquoAt this stage, we&rsquore in the middle of the LIGO discovery bump&mdashthe size of the catalog is increasing by orders of magnitude,&rdquo McDermott says. &ldquoThat&rsquos something that makes me particularly motivated to be thinking about this now.&rdquo

Researchers could spot thousands of black hole mergers in the coming decade. And from new particles to new ideas about gravity, &ldquoall of this extra science is coming for free,&rdquo Fishbach says, &ldquojust because we decided to listen to the universe in a way that we&rsquove never observed it before.&rdquo


Dark Matter Map in Local Universe Reveals Hidden Bridges Between Galaxies

A new map of dark matter in the local universe reveals several previously undiscovered filamentary structures connecting galaxies.

The map, developed using machine learning by an international team including a Penn State astrophysicist, could enable studies about the nature of dark matter as well as about the history and future of our local universe.

According to the study published in The Astrophysical Journal, and announced by Pennsylvania State University, which is participating in the study in an official press release on May 24, this is the first map of its kind in the world.

Previous attempts to map the cosmic web started with a model of the early universe and then simulated the evolution of the model over billions of years.

However, this method is computationally intensive and so far has not been able to produce results detailed enough to see the local universe.

In the new study, the researchers took a completely different approach, using machine learning to build a model that uses information about the distribution and motion of galaxies to predict the distribution of dark matter.

The researchers built and trained their model using a large set of galaxy simulations, called Illustris-TNG, which includes galaxies, gasses, other visible matter, as well as dark matter.

The team specifically selected simulated galaxies comparable to those in the Milky Way and ultimately identified which properties of galaxies are needed to predict the dark matter distribution.


“When given certain information, the model can essentially fill in the gaps based on what it has looked at before,” said Jeong, associate professor of astronomy and astrophysics at Penn State and a corresponding author of the study.

“The map from our models doesn’t perfectly fit the simulation data, but we can still reconstruct very detailed structures. We found that including the motion of galaxies—their radial peculiar velocities—in addition to their distribution drastically enhanced the quality of the map and allowed us to see these details.”

The research team then applied their model to real data from the local universe from the Cosmicflow-3 galaxy catalog.

According to the study, the catalog contains comprehensive data about the distribution and movement of more than 17 thousand galaxies in the vicinity of the Milky Way—within 200 megaparsecs. The resulting map of the local cosmic web is published in a paper appearing online May 26 in the Astrophysical Journal.

The map successively reproduced known prominent structures in the local universe, including the "local sheet”—a region of space containing the Milky Way, nearby galaxies in the “local group,” and galaxies in the Virgo cluster—and the “local void”—a relatively empty region of space next to the local group.

Additionally, it identified several new structures that require further investigation, including smaller filamentary structures that connect galaxies.

Dark matter is an elusive substance that makes up 80% of the universe. It also provides the skeleton for what cosmologists call the cosmic web, the large-scale structure of the universe that, due to its gravitational influence, dictates the motion of galaxies and other cosmic material.

“Having a local map of the cosmic web opens up a new chapter of cosmological study,” said Jeong. “We can study how the distribution of dark matter relates to other emission data, which will help us understand the nature of dark matter. And we can study these filamentary structures directly, these hidden bridges between galaxies.”

For example, it has been suggested that the Milky Way and Andromeda galaxies may be slowly moving toward each other, but whether they may collide in many billions of years remains unclear. Studying the dark matter filaments connecting the two galaxies could provide important insights into their future.

“Because dark matter dominates the dynamics of the universe, it basically determines our fate,” said Jeong.

“So we can ask a computer to evolve the map for billions of years to see what will happen in the local universe. And we can evolve the model back in time to understand the history of our cosmic neighborhood.”

The researchers believe they can improve the accuracy of their map by adding more galaxies. Planned astronomical surveys, for example using the James Web Space Telescope, could allow them to add faint or small galaxies that have yet to be observed and galaxies that are further away.


Dark matter, black holes, and dwarf spheroidal galaxies

MNRAS is one of the world's leading primary research journals in astronomy and astrophysics, as well as one of the longest established. It publishes the results of original research in astronomy and astrophysics, both observational and theoretical.

Our current understanding of the Universe suggests that it is composed of an invisible component called “dark matter“. This mysterious type of matter represents more than 25% of the entire matter and energy of which the Universe is made. The matter that we are used to “seeing” in our everyday life and that represents the building blocks for both our bodies and stars that shine in the sky, represents only 5% of the Universe. We call this “ordinary” or “baryonic” matter.

The fundamental law that regulates the interaction between bodies, composed of either dark matter or baryonic matter, is gravity. Roughly speaking, gravity keeps celestial bodies – such as the moon and the Earth – bounded together. Similarly, stellar systems can be composed of tens of stars, held together by gravitational pull. “Stellar clusters” are larger, with hundreds to a few millions of stars and “galaxies” are those having billions to thousands of billion stars. Our galaxy, the Milky Way, is a “spiral” galaxy weighing about 10 12 times the mass of our Sun.

Although such a quantity seems to be definitively huge, observations made clear since the 1930s suggest that galaxies contain much more mass than is actually visible. Practically, two possible methods for evaluating the mass of a stellar system are either looking at the velocity of its stars, or looking at the total amount of light that it emits. Comparing these two quantities made clear in the majority of observations that the former method gives systematically higher mass values. This leads to the accepted picture that galaxies are embedded in large halos of dark matter. More importantly, dark matter distributes in a very characteristic way, having densities that steeply rises toward the centre of the halo. In particular, decreasing by a half the distance to the centre, the density increases twice.

Our own galaxy, the Milky Way, is likely to be contained within its dark matter halo. Interestingly, its neighbourhood is populated by a number of smaller galaxies, called “dwarf spheroidals“, which have masses of a few hundred million solar masses and orbits around it. These small galaxies are characterised by a very high fraction of dark matter, although they are much smaller than the Milky Way by a factor 10,000.

Even more interestingly, in these systems, the dark matter density seems to rise toward their centre following a more gentle trend. This represents a problem in cosmology called “the core/cusp problem”, as the standard theory predicts a general trend that is not observed in dwarf spheroidals.

Moreover, these galaxies do not host massive black holes at their centre, which occupy the majority of the nuclei of galaxies with masses above one million solar masses.

In our work, we propose a mechanism that explains both the absence of massive black holes and the strange behaviour of dark matter distribution. Our theory relies upon the fact that nearly all the observed galaxies contain stellar systems, agglomerate of stars that may be composed of a few thousand up to a few million stars called star clusters. Star clusters move within the galaxy, interacting with the stars and the dark matter that compose the galaxy background. The sum of all the interactions causes a drift of their orbit, driving them toward the centre of the galaxy following a spiral pathway. At the same time, during the cluster orbital decay, its shape warps due to the same interactions.

The time over which orbital decay and the cluster warp takes place depends on the cluster mass, initial orbit, and initial velocity – but to give a general idea, we can state that, at fixed mass, the larger the initial orbit, the longer the decay time-scale.

It is a race against the clock, since the cluster can either be completely disrupted before accomplishing its orbital decay or it can reach the centre and settle there, leading to the formation of a very dense nucleus.

However, if they are sufficiently massive, these clusters influence the galactic nucleus, comprised of stars and dark matter, forcing it to re-arrange its configuration and leading to a much shallower density distribution.

Our results show that the star clusters undergo significant disruption due to the interaction with stars and dark matter that compose the galaxy. After a few Gyr, the star clusters are completely disrupted but, interestingly, they significantly changed the galaxy matter distribution. Indeed, during their disruption they cause the galaxy response that leads its total (stellar + dark matter) density to get shallower, leading also to a significant decrease in the galaxy central density.

NGC 147, a dwarf spheroidal galaxy of the Local Group by Ole Nielsen. CC BY-SA 2.5 via Wikimedia Commons.

This represents a complementary theory related to dwarf spheroidal galaxies, along with the possible contribution given by supernovae events to the nucleus structure or a possible modification of the classical theory of gravity.

How does this relate to massive black hole formation? It is widely thought that massive black holes form in the early life of a galaxy. One of the debated channels involve multiple collisions of stars, which drive the formation of a very massive star that possibly collapses to a black hole with masses of around 100-1000 solar masses and then rapidly grows by swallowing surrounding gas and stars, reaching the values currently observed (from few million to several billion solar masses).

What drives such a runaway process is the density of the nucleus, where stellar collisions start. The density decrease observed in our simulations make extremely unlikely the possible starting of the massive black hole seed formation phase, giving a quite general explanation of the causes of the lack of massive black holes in dwarf spheroidals.

Hence, our work proposes a four-step mechanism that occurs in the very early life of the dwarf, which can be summarised as follows:

  1. The dwarf spheroidal forms with a steep density profile and some star clusters form following the overall galactic distribution
  2. Due to gravitational interactions between stars and the clusters, the latter moving on inner orbits are efficiently disrupted, while those moving in the galactic outskirt are almost untouched
  3. During their infall, clusters exert on the galactic nucleus a force, which causes its readjustment. In consequence of this, the resulting nucleus is much less dense than its initial configuration, possibly obstaculating the formation of a massive black hole seed
  4. Clusters moving on the outer orbits undergo orbital decay and eventually reach the galactic centre, driving the formation of a bright nucleus.

Featured image credit: Galaxy. CCO Public Domain via Pixabay.

Manuel Arca Sedda is a former postdoctoral fellow at the Università di Roma Sapienza and P.I. of the MEGaN project. His main research topics include black holes evolution, galaxy nuclei formation and computational astrophysics. He is the principal author of "Lack of nuclear clusters in dwarf spheroidal galaxies: implications for massive black holes formation and the cusp/core problem" published in Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

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