Astrofizikçiler, "son parsek sorununu" çözmede süper kütleli kara delik/karanlık madde bağlantısını ortaya çıkardı.

Araştırmacılar, evrendeki en büyük ve en küçük nesneler arasında bir bağlantı bulmuşlardır: süper kütleli kara delikler (SMBH'ler) ve karanlık madde parçacıkları.

Yeni hesaplamaları, süper kütleli kara delik çiftlerinin (SMBH'ler) daha önce göz ardı edilen karanlık madde parçacıklarının davranışı nedeniyle tek bir büyük kara delik olarak birleşebileceğini ortaya koyarak astronomideki uzun süredir devam eden "son parsek sorunu"na çözüm önerisi sunuyor.

Bu araştırma, bu ay Physical Review Letters dergisinde yayımlanan "Self-interacting dark matter solves the final parsec problem of supermassive black hole mergers" başlıklı makalede açıklanmıştır.

2023 yılında astrofizikçiler, evreni kaplayan bir yerçekimsel dalga "vızıltısı" tespit ettiklerini duyurdular. Bu arka plan sinyalinin, her biri güneşimizin kütlesinin milyarlarca katı olan milyonlarca birleşen SMBH çiftinden kaynaklandığını öne sürdüler.

Ancak teorik simülasyonlar, bu devasa gök cisimleri çiftlerinin birbirine yaklaştıkça yaklaşık bir parsek (yaklaşık üç ışık yılı) mesafede durduğunu ve birleşmeyi engellediğini gösterdi.

Bu "son parsek sorunu" sadece SMBH'lerin birleşen SMBH'lerin yerçekimsel dalga arka planının kaynağı olduğu teorisiyle çelişmekle kalmadı, aynı zamanda SMBH'lerin daha az kütleli kara deliklerin birleşmesinden büyüdüğü teorisiyle de çelişti.

"Önceden göz ardı edilen karanlık madde etkisini dahil ederek süper kütleli kara deliklerin bu son parsek ayrımını aşmasına ve birleşmesine yardımcı olabileceğimizi gösteriyoruz," diyor makalenin ortak yazarı Gonzalo Alonso-Álvarez, Toronto Üniversitesi Fizik Bölümü ve McGill Üniversitesi Trottier Uzay Enstitüsü'nde doktora sonrası araştırma görevlisi. "Hesaplamalarımız, bunun nasıl olabileceğini, daha önce düşünülenin aksine açıklıyor."

Makalenin diğer yazarları arasında McGill Üniversitesi ve İsviçre'deki CERN Teorik Fizik Bölümü'nden Profesör James Cline ve McGill Üniversitesi'nde yüksek lisans öğrencisi olan Caitlyn Dewar yer alıyor.

SMBH'lerin çoğu galaksinin merkezinde bulunduğu düşünülmektedir ve iki galaksi çarpıştığında, SMBH'ler birbirlerinin etrafında yörüngeye girerler. Birbirlerinin etrafında dönerken, yakındaki yıldızların yerçekimsel çekimi onları yavaşlatır ve bu nedenle SMBH'ler birleşmeye doğru içe doğru spiral yapar.

Önceki birleşme modelleri, SMBH'ler yaklaşık bir parsek mesafeye yaklaştığında, yerleştikleri karanlık madde bulutu veya halo ile etkileşime girdiklerini gösterdi. Bu modeller, spiral yapan SMBH'lerin yerçekiminin karanlık madde parçacıklarını sistemden fırlattığını ve sonuçta karanlık maddenin seyrekleşmesi nedeniyle enerjinin çiftten çekilmediğini ve karşılıklı yörüngelerinin küçülmediğini belirtti.

Bu modeller, karanlık maddenin SMBH yörüngeleri üzerindeki etkisini göz ardı ederken, Alonso-Álvarez ve meslektaşlarının yeni modeli, karanlık madde parçacıklarının birbirleriyle etkileşime girdiğini ve dağılmadığını ortaya koyuyor. Karanlık madde halolarının yoğunluğu yeterince yüksek kalır ve parçacıklar ile SMBH'ler arasındaki etkileşimler, SMBH'lerin yörüngelerinin bozulmasına devam ederek birleşme yolunu açar.

"Karanlık madde parçacıklarının birbirleriyle etkileşimde bulunabileceği olasılığı, yaptığımız bir varsayım ve tüm karanlık madde modellerinin içermediği ekstra bir bileşendir," diyor Alonso-Álvarez. "Argümanımız, yalnızca bu bileşeni içeren modellerin son parsek sorununu çözebileceğidir."

Bu devasa kozmik çarpışmaların ürettiği arka plan vızıltısı, 2015 yılında astrofizikçilerin Lazer İnterferometre Yerçekimi Dalgası Gözlemevi (LIGO) tarafından tespit edilen yerçekimi dalgalarından çok daha uzun dalga boyuna sahip yerçekimi dalgalarından oluşur. Bu yerçekimi dalgaları, her biri güneşin kütlesinin yaklaşık 30 katı olan iki kara deliğin birleşmesiyle oluşmuştur.

Son yıllarda Pulsar Zaman Dizisi'ni işleten bilim insanları tarafından tespit edilen arka plan vızıltısı, pulsarlardan gelen sinyallerdeki küçük değişiklikleri ölçerek yerçekimi dalgalarını ortaya çıkarır.

"Önerimizin bir öngörüsü, pulsar zaman dizileri tarafından gözlemlenen yerçekimi dalgalarının spektrumunun düşük frekanslarda yumuşatılması gerektiğidir," diyor Cline. "Mevcut veriler zaten bu davranışı ima ediyor ve yeni veriler bunu önümüzdeki birkaç yıl içinde doğrulayabilir."

Bu yeni sonuç, SMBH birleşmeleri ve yerçekimi dalga arka plan sinyali hakkında bilgi sağlamanın yanı sıra, karanlık maddenin doğası hakkında da bir pencere açar.

"Çalışmamız, karanlık maddenin parçacık doğasını anlamamıza yardımcı olacak yeni bir yol," diyor Alonso-Álvarez. "Kara delik yörüngelerinin evriminin, karanlık maddenin mikrofiziğine karşı çok duyarlı olduğunu ve bu nedenle süper kütleli kara delik birleşmelerinin gözlemleri ile bu parçacıkları daha iyi anlayabileceğimizi bulduk."

Örneğin, araştırmacılar karanlık madde parçacıkları arasındaki etkileşimlerin, galaktik karanlık madde halolarının şekillerini de açıkladığını buldular.

"Son parsek sorununun yalnızca karanlık madde parçacıklarının galaktik ölçeklerde karanlık maddenin dağılımını değiştirebilecek bir oranda etkileşime girmesi durumunda çözülebileceğini bulduk," diyor Alonso-Álvarez. "Bu beklenmedikti çünkü süreçlerin meydana geldiği fiziksel ölçekler üç veya daha fazla büyüklük mertebesi farklıydı. Bu heyecan verici."^{[1], [2]}