Recente waarnemingen met de James Webb Space Telescope (JWST) hebben astronomen voor een diepgaande kosmische puzzel geplaatst: superzware zwarte gaten verschijnen veel eerder dan iemand voor mogelijk hield. Nieuw onderzoek suggereert dat het antwoord zou kunnen liggen in het verval van donkere materie, een mysterieuze substantie die het vroege heelal een ‘supercharger’ had kunnen geven om de vorming van zwarte gaten te versnellen.
Het kosmische tijdlijnprobleem
Volgens standaard kosmologische modellen groeien zwarte gaten via twee primaire methoden: samensmelten met andere zwarte gaten of het consumeren van enorme hoeveelheden omringend gas en stof. Onder normale omstandigheden verlopen deze processen langzaam en hebben ze minstens 1 miljard jaar nodig om de enorme titanen te produceren die we waarnemen.
Sinds de JWST in 2022 echter begon met het leveren van gegevens, heeft hij superzware zwarte gaten ontdekt die al 500 miljoen jaar na de oerknal bestonden. Dit creëert een aanzienlijke ‘kloof’ tussen wat onze huidige theorieën voorspellen en wat we feitelijk zien in de diepe uithoeken van de ruimte.
Een nieuw groeimechanisme: directe ineenstorting
Om deze kloof te overbruggen, hebben wetenschappers lange tijd onderzoek gedaan naar de theorie van de ‘directe ineenstorting’. In dit scenario storten massieve wolken van oergas en stof in onder hun eigen zwaartekracht en vormen onmiddellijk een ‘zaad’ zwart gat, waarmee de miljarden jaren worden omzeild die normaal gesproken nodig zijn voordat een ster geboren wordt, leeft en sterft.
De uitdaging met het directe ineenstortingsmodel is dat het een specifieke energiebalans vereist. Normaal gesproken levert sterrenlicht de energie die nodig is om deze gaswolken te reguleren, maar in het zeer vroege heelal waren sterren te zeldzaam om voldoende, wijdverspreide energie te leveren.
De donkere materie “Supercharger”
Een onderzoeksteam onder leiding van Yash Aggarwal van de Universiteit van Californië, Riverside, stelt dat rottende donkere materie zou kunnen fungeren als de ontbrekende energiebron.
Donkere materie vormt ongeveer 85% van de materie in het heelal, maar blijft onzichtbaar omdat er geen interactie met licht plaatsvindt. Terwijl de meeste modellen voor donkere materie zich richten op de zwaartekrachteffecten ervan, onderzoekt deze nieuwe theorie hoe bepaalde hypothetische deeltjes van donkere materie kunnen vergaan, waarbij kleine hoeveelheden energie vrijkomen.
Waarom dit belangrijk is voor vroege sterrenstelsels:
- Gevoeligheid: De eerste sterrenstelsels waren in wezen ongerepte wolken van waterstofgas, die ongelooflijk gevoelig zijn voor zelfs minieme hoeveelheden energie.
- Efficiëntie: Onderzoekers Flip Tanedo en Aggarwal suggereren dat een energie-afgifte gelijk aan slechts een miljard biljoenste van een enkele AA-batterij voldoende zou zijn om deze oorspronkelijke gaswolken een “supercharge” te geven.
- Versnelde groei: Deze geïnjecteerde energie zou de directe ineenstorting van gaswolken kunnen vergemakkelijken, waardoor de enorme zaden zouden ontstaan die nodig zijn om superzware zwarte gaten veel sneller te laten groeien dan eerder werd gedacht.
Op jacht naar het deeltje
Door deze kosmische patronen te analyseren heeft het team het potentiële massabereik voor deze hypothetische donkere materiedeeltjes verkleind – tussen 24 en 27 elektronvolt.
Deze ontdekking verandert het vroege universum in een gigantisch laboratorium. Als deze theorie standhoudt, wordt het bestaan van superzware zwarte gaten zelf een ‘handtekening’ of een bewijsstuk dat natuurkundigen kan helpen de eigenschappen van donkere materie te identificeren, die decennialang ongrijpbaar is gebleven.
‘De eerste sterrenstelsels zijn in wezen bollen van ongerept waterstofgas waarvan de chemie ongelooflijk gevoelig is voor energie-injectie op atomaire schaal’, zegt Flip Tanedo. “De signatuur van deze ‘detectoren’ zouden de superzware zwarte gaten kunnen zijn die we vandaag de dag zien.”
Conclusie
Door te stellen dat rottende donkere materie de energie levert die nodig is voor directe gasinstorting, hebben onderzoekers een mogelijke manier gevonden om de verrassende waarnemingen van de JWST te verzoenen met ons begrip van de kosmische evolutie. Als dit wordt bewezen, zou dit niet alleen het vroege bestaan van zwarte gaten verklaren, maar ook een essentiële aanwijzing verschaffen over de fundamentele aard van donkere materie.
