Könnte es schwarze Löcher mit dunkler Materie geben?

Könnte dunkle Materie sich komprimieren und schwarze Löcher bilden? Da dunkle Materie noch häufiger vorkommt als normale Materie, sollte ein schwarzes Loch aus dunkler Materie nicht selten sein ... oder?

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

Dies ist ein Problem. Um dunkle Materie so stark zu konzentrieren, 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 sollte dies verdeutlichen. Angenommen, wir haben einen Klumpen dunkler Materie, der durch die Gravitation einen weiteren Klumpen dunkler Materie anzieht. Wenn sich die beiden nähern, beschleunigen sie und gewinnen kinetische Energie. Die gewonnene kinetische Energie reicht genau aus, um sie dann in einem ähnlichen Maße zu trennen, wie sie begonnen haben, es sei denn , es findet ein dissipativer Prozess statt.

Ein Beispiel ist die Annahme, dass dunkle Materie schwach mit massiven Partikeln (WIMPs) wechselwirkt. WIMPs werden gravitativ zu den Zentren der Sterne hingezogen. Wenn die schwachen Wechselwirkungen ausreichend häufig passieren dann ist es vielleicht möglich sein , sie in Sterne zu sammeln, anstatt schießen durch und auf der anderen Seite.

Es wurde die Hypothese aufgestellt, dass Schwarze Löcher in der Nähe des Zentrums einer Galaxie entstehen könnten, die von dichten Neutronensternen gesät wird. Die Dichte der Neutronensternmaterie in Kombination mit der erhöhten Dichte der Dunklen Materie in der Nähe der Galaxienzentren könnte zu einer Akkumulation der Dunklen Materie in den Neutronensternen führen und zur Bildung von Schwarzen Löchern führen.

Sobald sich ein Schwarzes Loch gebildet hat, kann keine dunkle Materie mehr in den Ereignishorizont gelangen, unabhängig davon, welche kinetische Energie sie dabei gewinnt. Es gibt jedoch immer noch ein Problem. Material in der Umlaufbahn um ein Schwarzes Loch hat umso weniger Drehimpuls, je näher es in der Umlaufbahn ist. Um in den Ereignishorizont einzudringen, muss die dunkle Materie ihren Drehimpuls verlieren. Dies geschieht bei normaler Materie über eine Akkretionsscheibe, die den Drehimpuls durch viskose Drehmomente nach außen transportieren kann, so dass die Materie akkret wird. Dunkle Materie hat fast keine Viskosität, daher kann dies nicht passieren.

Ein supermassereiches Schwarzes Loch aus einem kleineren Samen zu bauen, wäre schwierig, aber kleine Schwarze Löcher aus Neutronensternen zu bilden, könnte einfacher sein. Es wurde ein relativer Mangel an Pulsare gegenüber unserem eigenen galaktischen Zentrum beobachtet vorgeschlagen, könnte zu diesem Prozess fällig.

Rob Jeffries wies darauf hin, dass die Bildung eines Schwarzen Lochs (BH) aus dunkler Materie (DM) unmöglich ist (es sei denn, es gibt eine [hypothetische] Wechselwirkung, durch die dunkle Materie Energie verlieren kann, die sich jeglicher Detektion entzieht). Es ist immer noch unwahrscheinlich, dass DM in ein vorhandenes BH aufgenommen wird (da DM nicht so leicht seine überschüssige Energie und seinen Drehimpuls verlieren kann wie Gas), aber nicht unmöglich, und ein kleiner Teil der Materie, die sich in den supermassiven BHs (SMBHs) an galaktischen Zentren angesammelt hat, war wahrscheinlich dunkel.

Sobald sich Materie in einem BH angesammelt hat, geht die Information über seine Herkunft (dunkle Materie oder Baryon) verloren. Daher macht es keinen Sinn, von Schwarzen Löchern mit dunkler Materie zu sprechen : Schwarze Löcher haben keine Eigenschaft, die über ihre Masse, ihren Spin und ihre Ladung hinausgeht ( No-Hair-Theorem ).

Diese Eigenschaft macht Schwarze Löcher als Kandidaten für die Dunkle Materie interessant, da sie keine Einschränkungen (zum Beispiel bei der Urknall-Nukleosynthese ) in Bezug auf die Menge der baryonischen Materie verletzen würden . Allerdings, AFAIK, sind ursprüngliche Schwarze Löcher als DM-Kandidaten nicht beliebt (aus Gründen, die über den Rahmen dieser Antwort hinausgehen).

Schwarze Löcher sind das Ergebnis einer Masse, die so konzentriert ist, dass die Schwerkraft nichts auslässt, auch kein 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 die Dunkle Materie ausreichend konzentrieren könnten, um ein Schwarzes Loch zu bilden, aber theoretisch könnte ein Schwarzes Loch aus Dunkler Materie oder sowohl gewöhnlicher Materie als auch Dunkelheit gebildet werden Angelegenheit. Einige Theoretiker [ Fußnote ] glauben sogar, dass dies genau das ist, was supermassive Schwarze Löcher sind.

Fußnote : Jeremiah P. Ostriker von der Princeton University, Kollisionale Dunkle Materie und der Ursprung von massiven Schwarzen Löchern , und Zoltán Haiman von der Columbia University, Die Bildung der ersten massiven Schwarzen Löcher . Interessant sind auch diese Arbeiten von 2011 bis heute, in denen Ostrikers wegweisende Arbeit zitiert wird.