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新研究表明:超大质量黑洞可能由暗物质形成 精选

已有 3459 次阅读 2021-2-25 21:55 |个人分类:新观察|系统分类:海外观察

新研究表明:超大质量黑洞可能由暗物质形成

诸平

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据英国皇家天文学会(Royal Astronomical Society2021224日提供的消息,最新研究表明,超大质量黑洞可能由暗物质形成。

一项新的理论研究提出了一种由暗物质产生超大质量黑洞的新颖机制。国际小组发现,与传统的形成正常物质的情况不同,超大质量黑洞可以直接由星系中心高密度区域的暗物质形成。该结果对早期宇宙的宇宙学具有关键意义,并于20201231日已经在《皇家天文学会月刊》(Monthly Notices of the Royal Astronomical Society)网站发表——Carlos R Argüelles, Manuel I Díaz, Andreas Krut, Rafael Yunis. On the formation and stability of fermionic dark matter haloes in a cosmological frameworkMonthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2021; 502 (3): 4227-4246. DOI: 10.1093/mnras/staa3986https://doi.org/10.1093/mnras/staa3986.

最初形成超大质量黑洞的确切方式是当今星系演化研究中的最大问题之一。早在大爆炸(Big Bang发生后的8亿年,就已经观察到超大质量黑洞,但它们如何迅速生长尚无法解释。

标准的编队模型涉及正常的重子物质-组成恒星、行星和所有可见物体的原子和元素-在重力作用下坍塌形成黑洞,然后随着时间的推移而增长。然而,这项新研究调查了由暗物质制成并被稀释的暗物质光环围绕的稳定银河核的潜在存在,发现这些结构的中心可能变得如此集中,以至一旦达到临界阈值,它们也可能坍塌成超大规模黑洞,并到达了。

根据该模型,这可能比其他提议的形成机制发生得快得多,并且与目前的理解相反,这将允许早期宇宙中的超大质量黑洞在它们所居住的星系之前形成。

拉普拉塔国立大学(Universidad Nacional de La Plata)和国际相对论天体物理中心(International Center for Relativistic Astrophysics)联合体(ICRANet)的研究员卡洛斯·阿奎勒斯(Carlos R.Argüelles)领导了这项研究。他说:这种新的形成情况可以为宇宙早期如何形成超大质量黑洞提供自然的解释,而无需事先形成恒星或不需要以不切实际的积聚率引起种子黑洞。

新模型的另一个有趣的结果是,对于较小的暗物质光环,例如围绕某些矮星系的那些,可能无法达到坍塌成黑洞的临界质量。作者认为,这可能会留下带有中心暗物质核,而不是预期黑洞的较小的矮星系。这样的暗物质核仍然可以模仿常规中央黑洞的引力特征,而暗物质的外晕也可以解释观测到的星系旋转曲线。

卡洛斯·阿奎勒斯补充说:该模型表明暗物质光环如何在其中心聚集高密度物质,这可能在帮助理解超大质量黑洞形成中起着至关重要的作用。这是我们第一次证明这种核心-晕暗物质分布确实可以在宇宙学框架内形成,并且在宇宙的整个生命周期中都保持稳定。

作者希望,进一步的研究将进一步揭示我们宇宙早期超大质量黑洞的形成过程,同时调查包括我们银河系在内的非活动星系的中心,是否可能成为这些高密度暗物质核心的宿主。上述介绍仅供参考,更多信息请注意浏览原文或者相关报道

ABSTRACT

The formation and stability of collisionless self-gravitating systems are long-standing problems, which date back to the work of D. Lynden-Bell on violent relaxation and extends to the issue of virialization of dark matter (DM) haloes. An important prediction of such a relaxation process is that spherical equilibrium states can be described by a Fermi–Dirac phase-space distribution, when the extremization of a coarse-grained entropy is reached. In the case of DM fermions, the most general solution develops a degenerate compact core surrounded by a diluted halo. As shown recently, the latter is able to explain the galaxy rotation curves, while the DM core can mimic the central black hole. A yet open problem is whether these kinds of astrophysical core–halo configurations can form at all, and whether they remain stable within cosmological time-scales. We assess these issues by performing a thermodynamic stability analysis in the microcanonical ensemble for solutions with a given particle number at halo virialization in a cosmological framework. For the first time, we demonstrate that the above core–halo DM profiles are stable (i.e. maxima of entropy) and extremely long-lived. We find the existence of a critical point at the onset of instability of the core–halo solutions, where the fermion-core collapses towards a supermassive black hole. For particle masses in the keV range, the core-collapse can only occur for |$M_{\rm vir} \gtrsim 10^{9}{\, \mathrm{M}_\odot}$| starting at zvir ≈ 10 in the given cosmological framework. Our results prove that DM haloes with a core–halo morphology are a very plausible outcome within non-linear stages of structure formation.




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