Могут ли существовать черные дыры темной материи?

Проблема с попыткой сформировать черную дыру из темной материи заключается в том, что темная материя может лишь слабо взаимодействовать (если вообще) с нормальной материей и самой собой, кроме как под действием гравитации.

Это создает проблему. Чтобы сконцентрировать темную материю, достаточную для образования черной дыры, необходимо, чтобы она увеличила свою (отрицательную) гравитационную энергию связи без одновременного увеличения своей внутренней кинетической энергии на ту же величину. Для этого требуется какое-то диссипативное взаимодействие между темной материей и нормальной материей (или ею самой).

Следующий сценарий должен прояснить это. Предположим, у нас есть кусок темной материи, который гравитационно притягивает другой кусок темной материи. Когда они приближаются друг к другу, они ускоряются и приобретают кинетическую энергию. Полученной кинетической энергии будет ровно достаточно, чтобы затем разделить их до той же степени, до которой они начали, если только не произойдет какой-либо диссипативный процесс.

В качестве примера можно предположить, что темная материя представляет собой слабо взаимодействующие массивные частицы (WIMP). Вимпы гравитационно притягиваются к центрам звезд. Если слабые взаимодействия происходят достаточно часто, то они могли бы накапливаться в звездах, а не пробиваться сквозь них и вылетать с другой стороны.

Было высказано предположение, что подобные черные дыры могли образовываться вблизи центра Галактики, засеянной плотными нейтронными звездами. Плотность вещества нейтронных звезд в сочетании с повышенной плотностью темной материи вблизи центров галактик может привести к накоплению темной материи в нейтронных звездах, что приведет к образованию черных дыр.

Как только черная дыра сформирована, любая темная материя, попадающая за горизонт событий, не может появиться, независимо от того, какую кинетическую энергию она приобретает в процессе. Однако проблема все еще существует. Материал на орбите вокруг черной дыры имеет меньший угловой момент, чем ближе он вращается. Чтобы пройти внутрь горизонта событий, необходимо, чтобы темная материя потеряла угловой момент. Обычная материя делает это через аккреционный диск, который может передавать угловой момент наружу за счет вязких крутящих моментов, позволяя материи аккрецироваться. Тёмная материя имеет почти нулевую вязкость, поэтому этого не может быть.

Таким образом, построить сверхмассивную черную дыру из меньшего зерна будет сложно, но создать маленькие черные дыры из нейтронных звезд может быть проще. Было высказано предположение, что относительное отсутствие пульсаров, наблюдаемых в направлении нашего собственного галактического центра , может быть связано с этим процессом.

Как указал Роб Джеффрис, формирование черной дыры (ЧД) из темной материи (ТМ) невозможно ( если только не существует [гипотетического] взаимодействия, при котором темная материя может терять энергию, ускользающую от всякого обнаружения). Аккреция ТМ в существующие ЧД все еще маловероятна (поскольку ТМ не может терять свою избыточную энергию и угловой момент так же легко, как газ), но не невозможна, и небольшая часть вещества, аккрецированного в сверхмассивные ЧД (СМЧД) в галактических центрах, вероятно, была темной.

Однако, как только материя аккрецируется в ЧД, информация о ее происхождении (темная материя или барион) теряется. Поэтому нет смысла говорить о черных дырах темной материи : у черных дыр нет никаких свойств, кроме их массы, спина и заряда ( теорема об отсутствии волос ).

Именно это свойство делает первичные черные дыры интересными кандидатами на роль темной материи, поскольку они не нарушают ограничений (например , нуклеосинтеза Большого взрыва ) на количество барионной материи. Однако, насколько мне известно, первичные черные дыры не пользуются популярностью в качестве кандидатов на DM (по причинам, выходящим за рамки этого ответа).

Черные дыры — это результат концентрации массы, которая не пропускает наружу ничего, включая свет. Почти единственное, что мы знаем о темной материи, это то, что она имеет массу и , по- видимому , взаимодействует с обычной материей только посредством гравитации. Поскольку мы совсем не знаем физики темной материи, невозможно сказать, какие процессы могли бы сконцентрировать темную материю в достаточной степени для образования черной дыры, но теоретически черная дыра могла образоваться из темной материи или даже из обычной материи и темной иметь значение. Некоторые теоретики [ сноска ] даже думают, что это именно то, чем являются сверхмассивные черные дыры.

сноска : Иеремия П. Острикер из Принстонского университета, Столкновительная темная материя и происхождение массивных черных дыр , и Золтан Хайман из Колумбийского университета, Формирование первых массивных черных дыр . Также интересны эти документы с 2011 года по настоящее время со ссылкой на основополагающую статью Острикера.