Poderia haver buracos negros de matéria escura?

A matéria escura poderia comprimir e formar buracos negros? Como a matéria escura é ainda mais abundante que a matéria normal, um buraco negro de matéria escura não deve ser raro ... certo?

O problema de tentar formar um buraco negro com a matéria escura é que a matéria escura só pode interagir fracamente (se é que existe) com a matéria normal e com ela mesma, além da gravidade.

Isso representa um problema. Para obter a matéria escura concentrada o suficiente para formar um buraco negro, é necessário aumentar sua energia de ligação gravitacional (negativa) sem , ao mesmo tempo, aumentar sua energia cinética interna na mesma quantidade. Isso requer algum tipo de interação dissipativa entre a matéria escura e a matéria normal (ou ela mesma).

O cenário a seguir deve deixar isso claro. Suponha que tenhamos um pedaço de matéria escura que atraia gravitacionalmente outro pedaço de matéria escura. À medida que os dois se aproximam, eles aceleram e ganham energia cinética. A energia cinética obtida será exatamente o suficiente para separá-los em um grau semelhante ao qual eles começaram, a menos que algum processo dissipativo ocorra.

Um exemplo é supor que a matéria escura interage fracamente com partículas massivas (WIMPs). Os WIMPs são atraídos gravitacionalmente para os centros das estrelas. Se as interações fracas acontecem com bastante frequência, pode ser possível que elas se acumulem nas estrelas, em vez de disparar pelo outro lado.

Foi levantada a hipótese de que buracos negros poderiam ser feitos assim perto do centro de uma galáxia, semeados por densas estrelas de nêutrons. A densidade da matéria estelar de nêutrons, combinada com a densidade aumentada da matéria escura perto dos centros das galáxias, pode resultar no acúmulo de matéria escura nas estrelas de nêutrons, levando à formação de buracos negros.

Depois que um buraco negro é formado, qualquer matéria escura que entra no horizonte de eventos não pode emergir, independentemente da energia cinética que ganha no processo. No entanto, ainda há um problema. O material em órbita ao redor de um buraco negro tem momento menos angular quanto mais próximo ele orbita. Para passar dentro do horizonte de eventos, a matéria escura perde o momento angular. A matéria normal faz isso através de um disco de acreção que pode transportar o momento angular para fora por torques viscosos, permitindo que a matéria se acumule. A matéria escura tem viscosidade quase zero, então isso não pode acontecer.

Portanto, seria difícil construir um buraco negro supermassivo a partir de uma semente menor, mas seria mais fácil formar pequenos buracos negros a partir de estrelas de nêutrons. Foi proposto que uma relativa falta de pulsares observados em relação ao nosso próprio centro galáctico poderia ser devida a esse processo.

Conforme apontado por Rob Jeffries, a formação de um buraco negro (BH) a partir da matéria escura (DM) é impossível (a menos que haja uma interação [hipotética] pela qual a matéria escura possa perder energia e evitar toda a detecção). O acréscimo de DM em uma BH existente ainda é improvável (já que a DM não pode perder seu excesso de energia e momento angular tão facilmente quanto o gás), mas não é impossível e uma pequena fração da matéria acumulada nas BHs supermassivas (SMBHs) nos centros galácticos provavelmente estava escura.

No entanto, uma vez que a matéria se acumula em uma BH, as informações sobre suas origens (matéria escura ou bariônica) são perdidas. Portanto, não faz sentido falar sobre buracos negros de matéria escura : os buracos negros não têm nenhuma propriedade além de sua massa, rotação e carga ( teorema sem pêlos ).

Essa mesma propriedade torna os buracos negros primordiais interessantes como candidatos à matéria escura, pois eles não violariam restrições (por exemplo, da nucleossíntese do big-bang ) sobre a quantidade de matéria bariônica. No entanto, AFAIK, buracos negros primordiais estão fora de favor como candidatos a DM (por razões fora do escopo desta resposta).

Buracos negros são o resultado de massa tão concentrada que a gravidade não deixa nada sair, incluindo a luz. As únicas coisas que sabemos sobre a matéria escura é que ela tem massa e parece interagir apenas com a matéria comum através da gravidade. Como não conhecemos a física da matéria escura, é impossível dizer que processos podem concentrar a matéria escura o suficiente para formar um buraco negro, mas teoricamente um buraco negro pode ser formado a partir da matéria escura, ou mesmo da matéria comum e da escuridão. importam. Alguns teóricos [ nota ] até pensam que é exatamente o que são buracos negros supermassivos.

nota de rodapé : Jeremiah P. Ostriker, da Universidade de Princeton, Matéria negra colisional e a origem dos buracos negros maciços , e Zoltán Haiman, da Universidade de Columbia, A formação dos primeiros buracos negros maciços . Também interessante, esses trabalhos , de 2011 até agora, citando o artigo seminal de Ostriker.