Könnte es Schwarze Löcher in Dunkler Materie geben?

Das Problem beim Versuch, ein Schwarzes Loch mit dunkler Materie zu bilden, besteht darin, dass dunkle Materie nur schwach (wenn überhaupt) mit normaler Materie und sich selbst interagieren kann, außer durch die Schwerkraft.

Dies stellt ein Problem dar. Um dunkle Materie so konzentriert zu bekommen, dass sie ein Schwarzes Loch bildet, muss sie ihre (negative) Gravitationsbindungsenergie erhöhen, ohne gleichzeitig ihre innere kinetische Energie um den gleichen Betrag zu erhöhen. Dies erfordert eine Art dissipative Wechselwirkung zwischen dunkler Materie und normaler Materie (oder sich selbst).

Das folgende Szenario soll dies verdeutlichen. Angenommen, wir haben einen Klumpen dunkler Materie, der einen anderen Klumpen dunkler Materie gravitativ anzieht. Wenn sich die beiden nähern, beschleunigen sie und gewinnen kinetische Energie. Die gewonnene kinetische Energie wird genau ausreichen, um sie dann in einem ähnlichen Ausmaß zu trennen, in dem sie begonnen haben, es sei denn , es findet ein dissipativer Prozess statt.

Ein Beispiel ist die Annahme, dass dunkle Materie schwach wechselwirkende massive Teilchen (WIMPs) sind. WIMPs werden durch die Schwerkraft von den Zentren der Sterne angezogen. Wenn die schwachen Wechselwirkungen ausreichend häufig auftreten, können sie sich möglicherweise in Sternen ansammeln, anstatt durch und auf der anderen Seite herauszuschießen.

Es wurde die Hypothese aufgestellt, dass Schwarze Löcher wie dieses in der Nähe des Zentrums einer Galaxie entstehen könnten, die von dichten Neutronensternen ausgesät werden. Die Dichte der Neutronensternmaterie in Kombination mit der erhöhten Dichte dunkler Materie in der Nähe von Galaxienzentren könnte zu einer Ansammlung dunkler Materie in den Neutronensternen führen, was zur Bildung von Schwarzen Löchern führt.

Sobald sich ein Schwarzes Loch gebildet hat, kann keine dunkle Materie, die in den Ereignishorizont eintritt, entstehen, unabhängig davon, welche kinetische Energie sie dabei gewinnt. Es gibt jedoch noch ein Problem. Materie im Orbit um ein Schwarzes Loch hat einen geringeren Drehimpuls, je näher es umkreist. Um den Ereignishorizont zu durchqueren, muss die Dunkle Materie an Drehimpuls verlieren. Normale Materie tut dies über eine Akkretionsscheibe, die durch viskose Drehmomente Drehimpuls nach außen transportieren kann, wodurch Materie akkretieren kann. Dunkle Materie hat eine Viskosität von fast null, so dass dies nicht passieren kann.

Es wäre also schwierig, ein supermassereiches Schwarzes Loch aus einem kleineren Samen zu bauen, aber die Bildung kleiner Schwarzer Löcher aus Neutronensternen könnte einfacher sein. Es wurde vorgeschlagen, dass ein relativer Mangel an Pulsaren, der in Richtung unseres eigenen galaktischen Zentrums beobachtet wird , auf diesen Prozess zurückzuführen sein könnte.

Wie von Rob Jeffries betont, ist die Bildung eines Schwarzen Lochs (BH) aus Dunkler Materie (DM) unmöglich ( es sei denn , es gibt eine [hypothetische] Wechselwirkung, durch die Dunkle Materie Energie verlieren kann, die sich jeglicher Erkennung entzieht). Die Akkretion von DM in eine bestehende BH ist immer noch unwahrscheinlich (da DM seine überschüssige Energie und seinen Drehimpuls nicht so leicht wie Gas verlieren kann), aber nicht unmöglich, und ein kleiner Teil der Materie, die in den supermassereichen BHs (SMBHs) in galaktischen Zentren akkretiert wurde, war wahrscheinlich dunkel.

Sobald sich jedoch Materie in einem BH angesammelt hat, geht die Information über ihre Herkunft (dunkle Materie oder baryonisch) verloren. Daher macht es keinen Sinn, von Schwarzen Löchern der Dunklen Materie zu sprechen : Schwarze Löcher haben keine Eigenschaften, die über ihre Masse, ihren Spin und ihre Ladung hinausgehen ( No-Hair-Theorem ).

Genau diese Eigenschaft macht primordiale Schwarze Löcher als Kandidaten für dunkle Materie interessant, da sie keine Beschränkungen (zum Beispiel aus der Urknall-Nukleosynthese ) über die Menge an baryonischer Materie verletzen würden. AFAIK, ursprüngliche Schwarze Löcher sind jedoch als DM-Kandidaten nicht beliebt (aus Gründen, die über den Rahmen dieser Antwort hinausgehen).

Schwarze Löcher sind das Ergebnis von Masse, die so konzentriert ist, dass die Schwerkraft nichts herauslässt, einschließlich Licht. Das einzige, was wir über dunkle Materie wissen, ist, dass sie Masse hat und nur durch die Schwerkraft mit gewöhnlicher Materie zu interagieren scheint . Da wir die Physik der Dunklen Materie überhaupt nicht kennen, ist es unmöglich zu sagen, welche Prozesse Dunkle Materie genug konzentrieren könnten, um ein Schwarzes Loch zu bilden, aber theoretisch könnte ein Schwarzes Loch aus Dunkler Materie oder sogar aus gewöhnlicher Materie und Dunkelheit gebildet werden Materie. Einige Theoretiker [ Fußnote ] glauben sogar, dass supermassereiche Schwarze Löcher genau das sind.

Fußnote : Jeremiah P. Ostriker von der Princeton University, Collisional Dark Matter and the Origin of Massive Black Holes , und Zoltán Haiman von der Columbia University, The Formation of the First Massive Black Holes . Ebenfalls interessant sind diese Papiere von 2011 bis heute, die Ostrikers bahnbrechende Arbeit zitieren.