Potrebbero esserci buchi neri nella materia oscura?

La materia oscura potrebbe comprimere e formare buchi neri? Poiché la materia oscura è ancora più abbondante della materia normale, un buco nero di materia oscura non dovrebbe essere raro ... giusto?

Il problema con il tentativo di formare un buco nero con la materia oscura è che la materia oscura può interagire debolmente (se non del tutto) con la materia normale e se stessa, oltre che per gravità.

Questo pone un problema. Per ottenere che la materia oscura sia sufficientemente concentrata da formare un buco nero, è necessario che aumenti la sua energia di legame gravitazionale (negativa) senza aumentare allo stesso tempo la sua energia cinetica interna della stessa quantità. Ciò richiede una sorta di interazione dissipativa tra la materia oscura e la materia normale (o se stessa).

Il seguente scenario dovrebbe chiarire questo punto. Supponiamo di avere un grumo di materia oscura che attira gravitazionalmente un altro grumo di materia oscura. Quando i due si avvicinano, accelerano e ottengono energia cinetica. L'energia cinetica acquisita sarà esattamente sufficiente per separarli in un modo simile al loro inizio, a meno che non avvenga un processo dissipativo.

Un esempio è supporre che la materia oscura interagisca debolmente particelle voluminose (WIMP). I WIMP sono attratti gravitazionalmente verso i centri delle stelle. Se le interazioni deboli si verificano sufficientemente frequentemente, potrebbe essere possibile che si accumulino nelle stelle, invece di sparare attraverso e fuori dall'altra parte.

È stato ipotizzato che i buchi neri potrebbero essere fatti in questo modo vicino al centro di una galassia, seminati da dense stelle di neutroni. La densità della materia stellare di neutroni, combinata con la maggiore densità della materia oscura vicino ai centri della galassia, potrebbe provocare l'accumulo di materia oscura nelle stelle di neutroni, portando alla formazione di buchi neri.

Una volta che si forma un buco nero, qualsiasi materia oscura che entra nell'orizzonte degli eventi non può emergere indipendentemente dall'energia cinetica che guadagna nel processo. Tuttavia, c'è ancora un problema. Il materiale in orbita attorno a un buco nero ha meno momento angolare più si avvicina all'orbita . Per passare all'interno dell'orizzonte degli eventi è necessario che la materia oscura perda il momento angolare. La materia normale lo fa tramite un disco di accrescimento che può trasportare il momento angolare verso l'esterno mediante coppie viscose, permettendo alla materia di accumularsi. La materia oscura ha una viscosità quasi zero, quindi ciò non può accadere.

Quindi costruire un buco nero supermassiccio da un seme più piccolo sarebbe difficile, ma potrebbe essere più facile formare piccoli buchi neri da stelle di neutroni. È stato proposto che una relativa mancanza di pulsar osservata verso il nostro centro galattico potrebbe essere dovuta a questo processo.

Come sottolineato da Rob Jeffries, è impossibile formare un buco nero (BH) dalla materia oscura (DM) (a meno che non vi sia un'interazione [ipotetica] mediante la quale la materia oscura può perdere energia che sfugge a ogni rilevazione). Accrescere il DM in un BH esistente è ancora improbabile (dal momento che il DM non può perdere la sua energia in eccesso e il suo momento angolare con la stessa facilità del gas), ma non impossibile e una piccola frazione di materia accumulata nei BH supermassicci (SMBH) nei centri galattici era probabilmente oscura.

Tuttavia, una volta che la materia si è accumulata in un BH, le informazioni sulle sue origini (materia oscura o barionica) vengono perse. Pertanto, non ha senso parlare di buchi neri della materia oscura : i buchi neri non hanno proprietà al di là della loro massa, rotazione e carica ( teorema senza capelli ).

Questa proprietà rende interessanti i buchi neri primordiali come candidati per la materia oscura, dal momento che non violerebbero i vincoli (ad esempio dalla nucleosintesi del big bang ) sulla quantità di materia barionica. Tuttavia, AFAIK, i buchi neri primordiali non sono favorevoli come candidati DM (per ragioni che esulano dallo scopo di questa risposta).

I buchi neri sono il risultato di una massa così concentrata che la gravità non fa uscire nulla, inclusa la luce. Quasi l'unica cosa che sappiamo della materia oscura è che ha massa e sembra interagire solo con la materia ordinaria attraverso la gravità. Poiché non conosciamo affatto la fisica della materia oscura, è impossibile dire quali processi potrebbero concentrare la materia oscura abbastanza da formare un buco nero, ma teoricamente un buco nero potrebbe essere formato dalla materia oscura, o anche sia dalla materia ordinaria che dall'oscurità importa. Alcuni teorici [ nota in calce ] pensano addirittura che sia esattamente ciò che sono i buchi neri super-massicci.

nota a piè di pagina : Jeremiah P. Ostriker dell'Università di Princeton, Collisional Dark Matter and the Origin of Massive Black Holes , e Zoltán Haiman della Columbia University, The Formation of the First Massive Black Hole . Interessanti anche questi articoli , dal 2011 ad oggi, che citano il documento fondamentale di Ostriker.