Astronomía

¿Podrían los agujeros negros más pequeños no descubiertos dentro de las galaxias ser una explicación para la materia oscura?

¿Podrían los agujeros negros más pequeños no descubiertos dentro de las galaxias ser una explicación para la materia oscura?



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Por lo que he leído, dada la velocidad de las estrellas que giran dentro de una galaxia y la masa conocida, la velocidad de las estrellas es demasiado rápida para permanecer en órbita. Se propuso la materia oscura para explicar esto, pero ¿es posible que haya agujeros negros más pequeños sin descubrir sin estrellas en órbita?


Se cree que los MACHO (objetos halo compactos masivos) constituyen una parte de la masa oscura y se cree que una parte de estos son agujeros negros, pero hay varias razones muy sólidas por las que los agujeros negros generalmente no se ven como una explicación alternativa seria a los no- materia oscura bariónica:

1) Las abundancias elementales observadas no son consistentes con la cantidad de materia bariónica que se produce en el Universo temprano para explicar la masa oscura.

2) Las búsquedas de microlentes de MACHO del tamaño de agujeros negros formados por la evolución estelar los descartan por producir una cantidad significativa de materia oscura en la Vía Láctea.

3) Los agujeros negros son observables por acreción. Para que los agujeros negros produzcan una cantidad significativa de materia oscura, tendrían que estar en lugares aislados dentro de la galaxia para que no sean visibles. Sin embargo, la mayor parte de la materia oscura debe distribuirse uniformemente a lo largo de Milk Way para explicar la curva de rotación.


¿Agujeros negros como materia oscura? He aquí por qué la idea se desmorona

Un agujero negro masivo que acrecienta materia de una estrella cercana. Crédito de la imagen: NASA / JPL-Caltech.

A veces, cuando miras el Universo de una manera nueva, te sorprende. Cuando la colaboración de LIGO anunció la primera detección de ondas gravitacionales, fue una casualidad y la confirmación de una de las predicciones científicas no confirmadas más duraderas, pero no fue exactamente una sorpresa. La parte sorprendente fue la fuente de esas ondas gravitacionales: dos agujeros negros de 36 y 29 masas solares cada uno, mucho más masivos que los agujeros negros que esperamos de la supernova y lejos menos masivas que las del centro de las galaxias. Quizás esto revitalizaría una idea previamente desfavorecida: que los agujeros negros habían existido desde muy temprano en el Universo, poco después del Big Bang. Además, si este fuera el caso, tal vez formaron la masa faltante del Universo: la materia oscura.

Ilustración de dos agujeros negros fusionándose, de masa comparable a la que vio LIGO. Crédito de la imagen: SXS, el. [+] Proyecto de simulación de eXtreme Spacetimes (SXS) (http://www.black-holes.org).

La idea es bastante simple: sabemos que el Universo partió de un estado cálido, denso, de rápida expansión y aproximadamente uniforme. Dondequiera que se encuentre, la gravitación trataría de atraer masas cercanas hacia usted, mientras que la presión de radiación de los fotones trataría de separar esas masas. Pero si en pequeñas escalas, tuvieras regiones del espacio que fueran solo un 68% (o más) más densas que el promedio, esa presión de radiación no importaría. En cambio, colapso gravitacional todo el camino hasta un agujero negro sería inevitable. Si esto sucediera a una escala de masa particular en el Universo, digamos en masas de 1 kilogramo, o 10 ^ 10 kilogramos de masas, o incluso 30 masas solares, terminaría con una gran cantidad de agujeros negros primordiales de esa masa particular. . Estarían esparcidos aproximadamente de manera uniforme por todo el Universo, formarían halos grandes, difusos pero grumosos alrededor de las galaxias, y serían un excelente candidato para la materia oscura.

Ilustración de un halo de materia oscura grumosa alrededor de los bariones en una galaxia. Crédito de la imagen: NASA, ESA,. [+] y T. Brown y J. Tumlinson (STScI).

Tan pronto como se sugirió esta idea por primera vez, se reconoció que existían varias restricciones a esta posibilidad. Siempre que una masa pasa entre su línea de visión y un objeto distante, esa masa actúa como una lente gravitacional, gracias a la relatividad de Einstein. El efecto de un objeto oscuro, denso y en tránsito, conocido como microlente, se ha buscado con cierto detenimiento. Si bien se observa algo de microlente debido a estas masas compactas en nuestro halo galáctico, han sido más útiles en cuanto a restringir qué fracción de la materia podría estar en el extremo más grande de estos agujeros negros primordiales. Además, si los agujeros negros son demasiado pequeña en masa, se evaporarán debido a la radiación de Hawking. En total, observaciones de

  • la falta de radiación de Hawking,
  • microlente de explosión de rayos gamma,
  • captura de estrellas de neutrones en cúmulos globulares,
  • microlente tradicional,
  • y los fondos cósmicos infrarrojos y de microondas,

nos dicen que no podemos hacer que los agujeros negros primordiales constituyan la mayor parte de la materia oscura en una amplia variedad de rangos de masa.

Restricciones sobre la materia oscura de los agujeros negros primordiales. Crédito de la imagen: Fig. 1 de Fabio Capela,. [+] Maxim Pshirkov y Peter Tinyakov (2013), a través de http://arxiv.org/pdf/1301.4984v3.pdf.

Si observa el gráfico anterior, encontrará que

Se descartan completamente 30 masas solares, o aproximadamente 6 × 10 ^ 34 g, donde solo aproximadamente el 0.01% de la materia oscura puede existir con esa masa, como máximo. Sin embargo, un artículo reciente de Alexander Kashlinsky duda de estas afirmaciones anteriores sobre las limitaciones del fondo infrarrojo cósmico y, en cambio, afirma que existen varias fuentes que podrían, de hecho, ser estos agujeros negros primordiales.

Izquierda: una vista infrarroja del cielo en la Osa Mayor. Derecha: una vista mejorada con fuentes conocidas enmascaradas,. [+] que muestra las fluctuaciones del fondo infrarrojo. Créditos: NASA / JPL-Caltech / A. Kashlinsky (Goddard).

En lugar de utilizar el fondo infrarrojo cósmico para constreñir agujeros negros primordiales, Kashlinsky utiliza la suposición de que constituyen el 100% de la materia oscura para explicar el fondo infrarrojo cósmico:

"señalamos que si de hecho el descubrimiento de LIGO es indicativo de PBH que forman el DM, las fluctuaciones [.] adicionales conducirían a tasas mucho mayores de colapso en los primeros tiempos, lo que produciría naturalmente los niveles observados del [fondo infrarrojo cósmico ] fluctuaciones ".

El problema es, lamentablemente, que existen otras limitaciones.

Las fluctuaciones primordiales en el Fondo Cósmico de Microondas. Crédito de la imagen: ESA y Planck. [+] Colaboración.

Las fluctuaciones en el fondo cósmico de microondas (arriba) nos dicen que no más del 0.1% de la materia oscura total podría estar en agujeros negros primordiales en

30 masas solares, donde el único argumento en contra (por Bird et al. (2006) es que hay algunas incertidumbres en esta física que no han sido cuantificadas, y tal vez esas incertidumbres son lo suficientemente grandes como para que se pueda eludir este límite. cierto: si estos agujeros negros primordiales, mal motivados pero no descartados al 100%, existen en

30 masas solares, y si explican el fondo infrarrojo cósmico, y si nuestra comprensión de los procesos radiativos del gas en un agujero negro en movimiento es tremendamente incorrecta, entonces quizás estos agujeros negros podrían ser la materia oscura después de todo. Pero otra explicación es mucho más probable.

Telescopio espacial Hubble de los cúmulos estelares fusionados en el corazón de la Nebulosa Tarántula, el. [+] región de formación estelar más grande conocida en el grupo local. Crédito de la imagen: NASA, ESA y E. Sabbi (ESA / STScI) Reconocimiento: R. O'Connell (Universidad de Virginia) y el Comité de Supervisión Científica de Wide Field Camera 3.

Cuando producimos estrellas, lo hacemos en ráfagas, y las ráfagas de estrellas más masivas producen docenas de estrellas que van desde 50 hasta más de 250 veces la masa del Sol. Todas estas estrellas terminarán sus vidas en solo unos pocos millones de años en supernovas de colapso del núcleo, y el núcleo más interno dará como resultado un agujero negro. Si bien las estrellas de menos de 50 masas solares probablemente producen agujeros negros de alrededor de 10 masas solares o incluso más pequeños, las más grandes pueden crear agujeros negros 20, 30, 50 o incluso potencialmente más de 100 veces la masa de nuestro Sol. Esa es la teoría principal de dónde provienen estos agujeros negros, y dado que el cúmulo de estrellas más masivo conocido, R136, en realidad contiene una sola concentración (R136a) con al menos 24 estrellas independientes, incluidos al menos seis miembros de más de 100 masas solares.

El enorme cúmulo de estrellas R136, con R136a1 en el centro. La imagen se obtuvo a alta resolución. [+] con el instrumento de óptica adaptativa MAD en el Very Large Telescope de ESO. Crédito de la imagen: ESO / P. Crowther / C.J. Evans.

Los dos miembros más masivos, R136a1 y R136a2, son

195 masas solares, respectivamente, y podrían fácilmente dar lugar a agujeros negros en el rango de masas que vio LIGO, si no incluso mayores. Además, ellos mismos están en un sistema binario entre sí, por lo que una futura inspiración y fusión está completamente dentro del ámbito de lo razonable. Claro, no se descarta al 100% que los agujeros negros de alrededor de 30 masas solares puedan ser la materia oscura, pero está lejos de ser la explicación más probable. En física, como en la vida, el dinero inteligente es apostar por lo que ya se conoce como la explicación más probable del fenómeno novedoso que acabamos de ver. Si bien las posibilidades más fantasiosas pueden despertar nuestra imaginación, también es probable que estén equivocadas. Ahora sabes por qué.


¿Podrían los agujeros negros ser la materia oscura?

“[El agujero negro] nos enseña que el espacio se puede arrugar como un trozo de papel en un punto infinitesimal, que el tiempo se puede extinguir como una llama apagada y que las leyes de la física que consideramos 'sagradas', como inmutables, son todo lo contrario ". -John Wheeler

A veces, cuando miras el Universo de una manera nueva, te sorprende. Cuando la colaboración de LIGO anunció la primera detección de ondas gravitacionales, fue una casualidad y la confirmación de una de las predicciones científicas no confirmadas más duraderas, pero no fue exactamente una sorpresa. La parte sorprendente fue la fuente de esas ondas gravitacionales: dos agujeros negros de 36 y 29 masas solares cada uno, mucho más masivos que los agujeros negros que esperamos de la supernova y lejos menos masivas que las del centro de las galaxias. Quizás esto revitalizaría una idea previamente desfavorecida: que los agujeros negros habían existido desde muy temprano en el Universo, poco después del Big Bang. Además, si este fuera el caso, tal vez formaron la masa faltante del Universo: la materia oscura.

La idea es bastante simple: sabemos que el Universo partió de un estado cálido, denso, de rápida expansión y aproximadamente uniforme. Dondequiera que se encuentre, la gravitación trataría de atraer masas cercanas hacia usted, mientras que la presión de radiación de los fotones trataría de separar esas masas. Pero si en escalas pequeñas, tuvieras regiones del espacio que fueran solo un 68% (o más) más densas que el promedio, esa presión de radiación no importaría. En cambio, colapso gravitacional todo el camino hasta un agujero negro sería inevitable. Si esto sucediera a una escala de masa particular en el Universo, digamos en masas de 1 kilogramo, o masas de 10¹⁰ kilogramos, o incluso 30 masas solares, terminaría con una gran cantidad de agujeros negros primordiales de esa masa en particular. Estarían esparcidos de manera más o menos uniforme por todo el Universo, formarían halos grandes, difusos pero grumosos alrededor de las galaxias, y serían un excelente candidato para la materia oscura.

Tan pronto como se sugirió esta idea por primera vez, se reconoció que existían varias restricciones a esta posibilidad. Siempre que una masa pasa entre su línea de visión y un objeto distante, esa masa actúa como una lente gravitacional, gracias a la relatividad de Einstein. El efecto de un objeto oscuro, denso y en tránsito, conocido como microlente, se ha buscado con cierto detenimiento. Si bien se observa algo de microlente debido a estas masas compactas en nuestro halo galáctico, han sido más útiles en cuanto a restringir qué fracción de la materia podría estar en el extremo más grande de estos agujeros negros primordiales. Además, si los agujeros negros son demasiado pequeña en masa, se evaporarán debido a la radiación de Hawking. En total, observaciones de

  • la falta de radiación de Hawking,
  • microlente de explosión de rayos gamma,
  • captura de estrellas de neutrones en cúmulos globulares,
  • microlente tradicional,
  • y los fondos cósmicos infrarrojos y de microondas,

nos dicen que no podemos tener agujeros negros primordiales que constituyan la mayor parte de la materia oscura en una amplia variedad de rangos de masa.

Si observa el gráfico anterior, encontrará que

Se descartan completamente 30 masas solares, o alrededor de 6 × 10³⁴ g, donde solo aproximadamente el 0.01% de la materia oscura puede existir con esa masa, como máximo. Sin embargo, un artículo reciente de Alexander Kashlinsky duda de estas afirmaciones anteriores sobre las limitaciones del fondo infrarrojo cósmico y, en cambio, afirma que existen varias fuentes que podrían, de hecho, ser estos agujeros negros primordiales.

En lugar de utilizar el fondo infrarrojo cósmico para constreñir agujeros negros primordiales, Kashlinsky utiliza la suposición de que constituyen el 100% de la materia oscura para explicar el fondo infrarrojo cósmico:

“Señalamos que si de hecho el descubrimiento de LIGO es indicativo de PBH que componen el DM, las […] fluctuaciones adicionales conducirían a tasas mucho mayores de colapso en los primeros tiempos, lo que naturalmente produciría los niveles observados del [fondo infrarrojo cósmico ] fluctuaciones ".

El problema es, lamentablemente, que existen otras limitaciones.

Las fluctuaciones en el fondo cósmico de microondas (arriba) nos dicen que no más del 0.1% de la materia oscura total podría estar en agujeros negros primordiales en

30 masas solares, donde el único argumento en contra (por Bird et al. (2006) es que hay algunas incertidumbres en esta física que no han sido cuantificadas, y tal vez esas incertidumbres son lo suficientemente grandes como para que se pueda eludir este límite. cierto: si estos agujeros negros primordiales, mal motivados pero no descartados al 100%, existen en

30 masas solares, y si explican el fondo infrarrojo cósmico, y si nuestra comprensión de los procesos radiativos del gas en un agujero negro en movimiento es tremendamente incorrecta, entonces quizás estos agujeros negros podrían ser la materia oscura después de todo. Pero otra explicación es mucho más probable.

Cuando producimos estrellas, lo hacemos en ráfagas, y las ráfagas de estrellas más masivas producen docenas de estrellas que van desde 50 hasta más de 250 veces la masa del Sol. Todas estas estrellas terminarán sus vidas en solo unos pocos millones de años en supernovas de colapso del núcleo, y el núcleo más interno dará como resultado un agujero negro. Mientras que las estrellas de menos de 50 masas solares probablemente producen agujeros negros de alrededor de 10 masas solares o incluso más pequeños, las más grandes pueden crear agujeros negros 20, 30, 50 o incluso potencialmente más de 100 veces la masa de nuestro Sol. Esa es la teoría principal sobre el origen de estos agujeros negros, y dado que el cúmulo de estrellas más masivo conocido, R136, en realidad contiene una sola concentración (R136a) con al menos 24 estrellas independientes, incluidos al menos seis miembros de más de 100 masas solares.

Los dos miembros más masivos, R136a1 y R136a2, son

195 masas solares, respectivamente, y podrían fácilmente dar lugar a agujeros negros en el rango de masas que vio LIGO, si no incluso mayores. Además, ellos mismos están en un sistema binario entre sí, por lo que una futura inspiración y fusión está completamente dentro del ámbito de lo razonable. Claro, no se descarta al 100% que los agujeros negros de alrededor de 30 masas solares puedan ser la materia oscura, pero está lejos de ser la explicación más probable. En física, como en la vida, el dinero inteligente es apostar por lo que ya se conoce como la explicación más probable del fenómeno novedoso que acabamos de ver. Si bien las posibilidades más fantasiosas pueden despertar nuestra imaginación, también es muy probable que estén equivocadas. Ahora sabes por qué.


Un nuevo mapa de materia oscura revela puentes no descubiertos entre galaxias

Utilizando el aprendizaje automático, los astrofísicos de Penn State han creado un nuevo mapa de materia oscura en el universo local. Este mapa ha revelado estructuras filamentosas previamente desconocidas que conectan galaxias.

Con el tiempo, el universo se expande continuamente. Con esta expansión, la complejidad del universo también ha aumentado, por lo que es bastante difícil realizar mediciones sobre la materia oscura a nivel local.

En estudios anteriores, los científicos utilizaron un modelo del universo temprano y la evolución durante miles de millones de años para crear un mapa de la red cósmica. Aunque, este método es computacionalmente intensivo y no ha podido producir resultados lo suficientemente detallados para ver el universo local.

En este nuevo estudio, los astrofísicos utilizaron un enfoque completamente diferente: utilizaron el aprendizaje automático para construir un modelo que utiliza información sobre la distribución y el movimiento de las galaxias para predecir la distribución de la materia oscura.

El modelo fue construido y entrenado usando un gran conjunto de simulaciones de galaxias, llamado Illustris-TNG. El conjunto de datos contiene galaxias, gases, otra materia visible, así como materia oscura.

Al seleccionar cuidadosamente galaxias simuladas comparables a las de la Vía Láctea, el equipo pudo identificar qué propiedades de las galaxias son necesarias para predecir la distribución de la materia oscura.

Donghui Jeong, profesor asociado de astronomía y astrofísica en Penn State y autor correspondiente del estudio, dijo: & # 8220Cuando se le da cierta información, el modelo esencialmente puede llenar los vacíos en función de lo que ha mirado antes. El mapa de nuestros modelos no se ajusta perfectamente a los datos de simulación, pero aún podemos reconstruir estructuras muy detalladas. Descubrimos que incluir el movimiento de las galaxias & # 8212 sus peculiares velocidades radiales & # 8212 además de su distribución mejoró drásticamente la calidad del mapa y nos permitió ver estos detalles & # 8221.

Luego, el modelo se aplicó a los datos reales del universo local del catálogo de galaxias Cosmicflow-3. El catálogo contiene datos completos sobre la distribución y el movimiento de más de 17 mil galaxias en las cercanías de la Vía Láctea & # 8212 dentro de 200 megaparsecs.

El mapa reprodujo sucesivamente estructuras prominentes conocidas en el universo local, incluida la & # 8220 hoja local & # 8221 & # 8212, una región del espacio que contiene la Vía Láctea, galaxias cercanas en el & # 8220 grupo local & # 8221 y galaxias en el cúmulo de Virgo. & # 8212 y el & # 8220local vacío & # 8221 & # 8212 una región de espacio relativamente vacía al lado del grupo local. Además, identificó varias estructuras nuevas que requieren más investigación, incluidas estructuras filamentosas más pequeñas que conectan las galaxias.

Jeong dijo: & # 8220 Tener un mapa local de la red cósmica abre un nuevo capítulo de estudio cosmológico. Podemos estudiar cómo se relaciona la distribución de la materia oscura con otros datos de emisión, lo que nos ayudará a comprender la naturaleza de la materia oscura. Y podemos estudiar estas estructuras filamentosas directamente, estos puentes ocultos entre galaxias. & # 8221

& # 8220 Estudiar los filamentos de materia oscura que conectan las dos galaxias podría proporcionar información importante sobre su futuro. & # 8221

& # 8220 Porque la materia oscura domina la dinámica del universo, determina nuestro destino. Entonces, podemos pedirle a una computadora que desarrolle el mapa durante miles de millones de años para ver qué sucederá en el universo local. Y podemos hacer evolucionar el modelo hacia atrás en el tiempo para comprender la historia de nuestro vecindario cósmico. & # 8221

Al agregar los datos de más galaxias, los científicos esperan mejorar la precisión del mapa.

Esta investigación fue apoyada en parte por la Fundación Nacional de Investigación de Corea financiada por el Ministerio de Educación de Corea, el Ministerio de Ciencia de Corea, la Fundación Nacional de Ciencia de EE. UU., El programa de Teoría de Astrofísica de la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio de EE. UU. Y el Centro de Computación Avanzada en el Instituto de Estudios Avanzados de Corea.

Otros coautores del estudio incluyen a Sungwook Hong en el Instituto de Astronomía y Ciencias Espaciales de la Universidad de Seúl / Corea en Corea, Ho Seong Hwang en la Universidad Nacional de Seúl en Corea, y Juhan Kim del Instituto Coreano de Estudios Avanzados.


¿Origen de los agujeros negros supermasivos? & # 8211 & # 8220 Centros de materia oscura de las primeras galaxias & # 8221

Un nuevo estudio teórico ha propuesto una explicación natural de cómo los agujeros negros supermasivos & # 8211 una vez descritos como "los objetos macroscópicos más perfectos del universo, los únicos elementos en su construcción son nuestros conceptos de espacio y tiempo & # 8221 & # 8211. Universo. La propuesta es la existencia de núcleos galácticos estables & # 8211 hechos de materia oscura rodeados por un halo de materia oscura diluida & # 8211 que se vuelven tan concentrados una vez que se alcanza un umbral crítico que colapsan en objetos supermasivos.

Explica la existencia temprana poco después del Big Bang

Esta intrépida conjetura elimina la necesidad de una rápida formación de estrellas y resuelve uno de los mayores problemas en el estudio de la evolución de las galaxias en la actualidad: cómo los agujeros negros supermasivos observados tan pronto como 800 millones de años después del Big Bang, podrían crecer tan rápidamente.

La Royal Astronomical Society informa que el equipo internacional descubrió que, en lugar de los escenarios de formación convencionales que involucran materia & # 8216normal & # 8217, los agujeros negros supermasivos podrían formarse directamente a partir de materia oscura en regiones de alta densidad en el centro de las galaxias, desafiando el modelo aceptado de materia bariónica & # 8211 los átomos y elementos que componen las estrellas, planetas y todos los objetos visibles & # 8211 colapsando bajo la gravedad para formar agujeros negros, que luego crecen con el tiempo ..

& # 8220Este nuevo escenario de formación & # 8221 dice Carlos R. Argüelles, investigador de la Universidad Nacional de La Plata e ICRANet que dirigió la investigación, & # 8220 puede ofrecer una explicación natural de cómo se formaron los agujeros negros supermasivos en el Universo temprano, sin requiriendo formación estelar previa o necesidad de invocar agujeros negros semilla con tasas de acreción poco realistas. & # 8221

La materia oscura de la galaxia enana imita los agujeros negros centrales convencionales

Otra consecuencia intrigante del nuevo modelo es que la masa crítica para el colapso en un agujero negro podría no alcanzarse para los halos de materia oscura más pequeños, por ejemplo, los que rodean a algunas galaxias enanas, dejando enanas más pequeñas con un núcleo central de materia oscura en lugar del negro esperado. agujero. Tal núcleo de materia oscura aún podría imitar las firmas gravitacionales de un agujero negro central convencional, mientras que el halo exterior de materia oscura también podría explicar las curvas de rotación de galaxias observadas.

Llave de Haloes de Materia Oscura

& # 8220Este modelo muestra cómo los halos de materia oscura podrían albergar densas concentraciones en sus centros, lo que puede desempeñar un papel crucial para ayudar a comprender la formación de agujeros negros supermasivos & # 8221, agregó Carlos.

& # 8220Aquí & # 8217 hemos probado por primera vez que tales distribuciones de materia oscura núcleo-halo pueden formarse de hecho en un marco cosmológico y permanecer estables durante toda la vida del Universo. & # 8221

Los autores esperan que más estudios arrojen más luz sobre la formación de agujeros negros supermasivos en los primeros días de nuestro Universo, así como también investigar si los centros de galaxias no activas, incluida nuestra propia Vía Láctea, pueden albergar estas densas sombras núcleos de materia.

The Daily Galaxy con Maxwell Moe, becario Einstein de la NASA, Universidad de Arizona, a través de la Royal Astronomical Society

Imagen en la parte superior de la página: El descubrimiento realizado con el Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA) de una galaxia de disco giratorio masivo, el Disco de Wolfe, se ve cuando el Universo tenía solo el diez por ciento de su edad actual, desafía los modelos tradicionales de galaxias. formación.

Su solución gratuita dos veces por semana de historias del espacio y la ciencia & # 8211 un viaje aleatorio desde el planeta Tierra a través del Cosmos & # 8211 que tiene la capacidad de proporcionar pistas sobre nuestra existencia y agregar una perspectiva cósmica muy necesaria en nuestra época del Antropoceno.


El misterio de 11 enanos no hinchados

El interés de Brandt comenzó con descubrimientos relativamente recientes de cúmulos estelares pequeños, aparentemente muy antiguos y ultra débiles.

Algunos de estos cúmulos son lo suficientemente grandes como para ser llamados galaxias enanas, pero son miles de millones de veces más tenues que las galaxias más grandes. Se cree que estas enanas ultra débiles son increíblemente comunes, dice Brandt, quizás superando en número a las galaxias visibles en 10 o 100 a uno.

Casi todas sus estrellas jóvenes y brillantes se han quemado durante eones, razón por la cual estas galaxias enanas ultra débiles son tan difíciles de encontrar.

"Si estás mirando con tus propios ojos, nunca los verías", dijo Brandt, señalando que pueden ser tan pequeños como unos pocos miles de estrellas. "Solo hemos estado encontrando estas cosas durante unos 10 años con algoritmos informáticos".

Lo que los hizo tan interesantes para Brandt es que algunos de estos grupos existen.

En masa, nuestra propia Vía Láctea está en algún lugar entre el 70% y el 80% de materia oscura, la mayor parte acechando cerca del borde exterior de la galaxia. Mientras tanto, las galaxias enanas ultra débiles son aproximadamente un 99% de materia oscura.

"La materia oscura los mantiene unidos y evita que se separen", dijo Brandt a Business Insider.

Y ahí es donde Brandt se dio cuenta de que podía ver si un montón de viejos agujeros negros entre 20 y 100 veces la masa del sol (un rango de tamaño para los MACHO que aún no se ha descartado) realmente existen allí. Si es así, acelerarían las estrellas a medida que pasaran cerca, haciendo que todo el cúmulo o la galaxia "soplen" hacia afuera durante miles de millones de años.

Una nube difusa de partículas de materia oscura, por otro lado, mantendría el cúmulo pegado.

Eri II es una galaxia enana de 3 a 12 mil millones de años de antigüedad que los astrónomos apenas notaron recientemente cerca de nuestra galaxia, la Vía Láctea, mucho más grande.

Los cálculos de Brandt muestran que si la materia oscura del cúmulo está hecha de MACHO, entonces se habría inflado y se habría desvanecido en Eri II hace mucho tiempo.

Pero ahí estaba: un pequeño, tenue y antiguo cúmulo de estrellas que era demasiado compacto, al igual que su galaxia madre.

Señaló que las 10 galaxias enanas que son similares a Eri II deberían actuar de la misma manera, pero que "no vemos galaxias enanas ultra-débiles hinchadas".

"Este cúmulo podría ser una coincidencia. Pero si miras todas las otras galaxias enanas, no veo cómo [la materia oscura] podría ser agujeros negros entre 20 y 100 masas solares", dijo Brandt.


& # 8220 Luciérnagas del Big Bang & # 8221 & # 8211 ¿Los agujeros negros primordiales crearon materia oscura?

“Lo realmente emocionante de los agujeros negros primordiales es que hay tantos misterios que, en principio, podrían explicar”, dice el físico Bernard Carr, colega de Stephen Hawking y # 8217. & # 8220 No es la menor de ellas la existencia de materia oscura y energía oscura. & # 8221 & # 8220 Una posibilidad emocionante es que una población de agujeros negros primordiales haya creado materia oscura en el universo temprano, & # 8221 respondió Dan Hooper, jefe del grupo de astrofísica teórica en Fermilab a un correo electrónico de La galaxia diaria, preguntando a Hooper qué nueva física podría ser revelada por el descubrimiento de estas elusivas reliquias. & # 8220Si estos agujeros negros fueran inicialmente más livianos que un millón de kilogramos o algo así, & # 8221 Hooper agregó, & # 8220, se habrían evaporado en el primer segundo después del Big Bang. En el proceso de esta evaporación, podrían haber creado cualquier cantidad de formas exóticas de materia y energía, incluida la materia oscura. & # 8221

Reliquias de Planck-Mass

Agujeros negros primordiales & # 8212 Reliquias planas de masa de agujeros negros en evaporación & # 8211 creados a través del colapso directo de la radiación primordial, una fracción de segundo después del Big Bang, podrían haber atraído rayos de luz ambiental antes de colapsar en agujeros negros, escribe Leah Crane. para New Scientist. Si los agujeros negros primordiales son reales, tendrían potencial para resolver una gran cantidad de los mayores problemas de la cosmología. Y también serían extremadamente increíbles, tuiteó.

& # 8220A finales de la década de 1990 & # 8221 escribe Hooper y Gianfranco Bertone en A History of Dark Matter & # 8220, quedó claro que la materia oscura bariónica no constituye una gran fracción de la materia oscura del Universo. Aunque estos resultados parecen implicar que la materia oscura debe consistir en una o más especies de partículas nuevas, queda una salvedad a esta conclusión: la materia oscura podría consistir en agujeros negros que se formaron antes de la época de la nucleosíntesis del Big Bang y con masas por debajo. el rango de sensibilidad de las encuestas de microlentes. & # 8221

“La duración de la vida de un agujero negro depende de su masa: cuanto más pequeño es, más corta vida”, dice Francesca Vidotto de la Universidad del País Vasco en España. La evaporación acelerada de los agujeros negros primordiales los convierte en un lugar obvio para buscar rastros de radiación, propuesto por Stephen Hawking y Bernard Carr en 1974, lo que hace que se encojan lentamente y, finalmente, se evaporen, con luces parpadeantes en el amanecer cósmico.

Aunque la materia oscura se considera la columna vertebral de la estructura del universo, los científicos saben poco sobre su naturaleza, ya que las partículas han eludido hasta ahora la detección. Más de 40 años después de la teoría de la radiación de Hawking, no se han detectado tales rastros. De hecho, dice el astrofísico Tommi Tenkanen de la Universidad Johns Hopkins, "No sabemos qué es la materia oscura, pero si tiene algo que ver con partículas escalares, puede que sea más antigua que el Big Bang".

WIMPS vs MACHOS

Los científicos confían en que la materia oscura existe porque los efectos de su gravedad se pueden ver en la rotación de las galaxias y en la forma en que la luz se dobla a medida que viaja a través del universo. Se cree que los WIMP, o partículas masivas que interactúan débilmente, que se encuentran entre los principales candidatos para la materia oscura, interactúan con otra materia solo en muy raras ocasiones, por lo que aún no se han detectado directamente.

En 1970, el físico Ken Freeman llegó a una sorprendente conclusión. Encontró que & # 8220si [los datos] son ​​correctos, entonces debe haber en estas galaxias materia adicional que no se detecta, ya sea ópticamente oa 21 cm. Su masa debe ser al menos tan grande como la masa de la galaxia detectada, y su distribución debe ser bastante diferente de la distribución exponencial que se aplica a la galaxia óptica. & # 8221

Desde Freeman, se ha observado que las galaxias giran más rápido de lo que deberían dada toda la materia visible dentro de ellas, lo que ha llevado a los cosmólogos a creer que una materia "oscura" invisible también acecha dentro de estas galaxias, dándoles el peso gravitacional que necesitan para girar en el velocidades que vemos sin alejarnos.

"Los agujeros negros primordiales (PBH) siguen siendo objetos hipotéticos por el momento", tras las observaciones directas de ondas gravitacionales realizadas por los detectores VIRGO y LIGO en 2016, dice Alvise Raccanelli del CERN. “Propuestos inicialmente por Stephen Hawking en 1971, han vuelto a aparecer en los últimos años como posibles candidatos para explicar la materia oscura. Buscar evidencia de la existencia de PBH, o excluir su existencia, nos proporciona información sobre la física del universo primordial.

Quizás la opción más intrigante es que los agujeros negros primordiales podrían estar creando las propias partículas de materia oscura a través de la radiación de Hawking. Hwking predijo que cuanto más grande es uno de estos agujeros negros, menor es su temperatura, lo que significa que emite menos partículas y más ligeras. A medida que se encoge, se calienta, irradiando más y más energía. Eso significa que los pequeños agujeros negros primordiales pueden arrojar partículas más masivas y complejas.

“Los tipos de partículas que genera la radiación de Hawking no dependen de las cosas que caen en un agujero negro”, dice Hooper. “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 Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society.

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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