Subsolar mass black holes from stellar collapse induced by primordial black holes

Dit artikel stelt voor dat subsolaire zwarte gaten niet noodzakelijkerwijs directe primordiale zwarte gaten zijn, maar ook kunnen ontstaan wanneer een veel kleiner primordiaal zwart gat een dwergster volledig consumeert.

De kern

Stel je voor dat we in de ruimte een mysterieus object tegenkomen: een zwart gat dat lichter is dan onze zon. Wetenschappers noemen dit een "sub-solair" zwart gat. Tot nu toe hebben we ze nog niet met 100% zekerheid gevonden, maar de zoektocht is in volle gang.

Dit wetenschappelijke artikel van Baumgarte en Shapiro biedt een verrassende nieuwe verklaring voor hoe deze kleine zwarte gaten kunnen ontstaan. Om dit uit te leggen, gebruiken we een metafoor.

De twee scenario's: De "Kant-en-klare" vs. de "Parasiet"

De meeste wetenschappers denken aan het Directe Scenario.

De Metafoor: Stel je voor dat je een klein, kant-en-klaar knikkertje (het zwarte gat) vindt dat direct uit de oersoep van het universum is gerold. Dit knikkertje is klein, maar het is vanaf het begin al een zwart gat. Dit noemen we een Primordial Black Hole (PBH). Als we zo'n knikkertje vinden, weten we: "Hé, dit is een fossiel uit de geboorte van het heelal!"

Maar de auteurs van dit paper zeggen: "Wacht eens even, er is nog een andere manier!" Dat is het Indirecte Scenario.

De Metafoor: Stel je een kleine, onzichtbare parasiet voor (een piepklein zwart gat, veel kleiner dan een knikker) die door de ruimte zweeft. Deze parasiet komt per ongeluk een grote, zachte spons tegen (een kleine ster, een 'dwergster'). De parasiet dringt de spons binnen en begint de spons van binnenuit op te eten. De parasiet wordt steeds groter en groter, totdat de hele spons is opgegeten en er alleen nog een zwart gat overblijft dat precies even zwaar is als de spons was.

Waarom is dit belangrijk?

De auteurs leggen uit dat dit "parasiet-scenario" heel goed zou kunnen werken in dwergstelsels. Dit zijn kleine sterrenstelsels die vol zitten met donkere materie (de "onzichtbare stof" van het heelal).

In die stelsels is de kans groot dat die piepkleine zwarte gaten (de parasieten) tegen een ster aanbotsen. Omdat dwergstelsels relatief "rustig" zijn (de sterren bewegen niet superhard door elkaar heen), is de kans op een botsing groter.

De conclusie in gewone taal

De kernboodschap is dit: Als we in de toekomst een klein zwart gat vinden via zwaartekrachtgolven, hoeft dat niet direct te betekenen dat het een "fossiel" is dat zo is geboren. Het kan ook zijn dat een piepklein, onzichtbaar zwart gat een ster heeft "gekaapt" en heeft opgegeten, waardoor de ster is veranderd in een zwart gat.

Kortom: Een zwart gat is niet altijd een object dat is geboren; het kan ook een object zijn dat is gemaakt door een kosmische diefstal!

Technische samenvatting

Technische Samenvatting: Subsolaire massa zwarte gaten door stellaire instorting geïnduceerd door primordiale zwarte gaten

Probleemstelling

De detectie van compacte objecten met een massa onder de zonsmassa ($M < 1 M_\odot$) zou een revolutionaire ontdekking zijn, aangezien reguliere supernova-explosies geen zwarte gaten van deze massa produceren. Tot op heden zijn er verschillende kandidaten geïdentificeerd via zwaartekrachtsgolven (zoals SSM170401 en SSM200308), maar nog geen bevestigde detecties.

De gangbare wetenschappelijke aanname is het "directe PBH-scenario": een waargenomen zwart gat met massa $M_{obs}$ is een primordiaal zwart gat (PBH) dat direct in het vroege universum is gevormd met diezelfde massa ($M_{PBH} \simeq M_{obs}$). Dit paper stelt echter dat dit niet de enige mogelijkheid is en onderzoekt een alternatief mechanisme dat een populatie subsolaire zwarte gaten kan verklaren zonder dat de PBHs zelf al subsolair hoeven te zijn.

Methodologie

De auteurs introduceren het "indirecte PBH-scenario". In dit model is het primordiale zwarte gat veel kleiner dan het uiteindelijke waargenomen zwarte gat ($M_{PBH} \ll M_{obs}$). Het proces verloopt via de volgende stappen:

1. Capture (Vangst): Een klein PBH (bijv. uit "window B" van de donkere materie, met $M_{PBH} \simeq 10^{-6} M_\odot$) botst met een dwergster ($M_* \simeq 0.1 M_\odot$).
2. Dissipatie: Door hydrodynamische wrijving tijdens de passage door de ster wordt kinetische energie gedissipeerd, waardoor het PBH gravitationeel gebonden raakt aan de ster.
3. Accretie en Consumptie: Eenmaal in de ster begint het PBH materiaal te accreteren volgens het Bondi-accretiemodel. De auteurs berekenen de accretietijd ($\tau_{acc}$) en tonen aan dat deze aanzienlijk korter is dan de levensduur van een dwergster.
4. Resultaat: De ster wordt volledig "opgegeten" door het PBH, wat resulteert in een nieuw zwart gat met een massa die nagenoeg gelijk is aan de oorspronkelijke massa van de ster ($M_{obs} \simeq M_*$).

De auteurs passen deze modellen toe op de omgeving van dwergstelsels, omdat deze een hoge dichtheid aan donkere materie en lage dispersiesnelheden ($\sigma$) hebben, wat de kans op botsingen en vangsten maximaliseert.

Belangrijkste Bijdragen en Resultaten

• Nieuw Mechanisme: Het aantonen dat subsolaire zwarte gaten het resultaat kunnen zijn van de volledige consumptie van dwergsterren door veel kleinere PBHs.
• Kwantitatieve Schattingen:
  • In een typisch dwergstelsel kan dit proces leiden tot de vorming van ongeveer $3 \times 10^3$ tot $3 \times 10^4$ zwarte gaten (afhankelijk van de fractie donkere materie die uit PBHs bestaat).
  • Per Melkweg-type sterrenstelsel (rekening houdend met de vele dwergstelsels) kan dit leiden tot een populatie van circa $10^5$ subsolaire zwarte gaten.
• Vergelijking met Direct Scenario: Hoewel de populatie in het indirecte scenario kleiner is dan in het directe scenario (en slechts ongeveer 0,1% van de stellaire zwarte gaten in de Melkweg), is het volume groot genoeg om zeldzame detecties van subsolaire massa's te verklaren.
• Parametergevoeligheid: De effectiviteit van dit proces is sterk afhankelijk van de sterrenmassa, de straal van de ster en de snelheid van de donkere materie.

Significantie

Dit onderzoek heeft belangrijke implicaties voor de interpretatie van toekomstige zwaartekrachtgolf-detecties:

1. Interpretatie van PBH-massa: Een detectie van een zwart gat van bijvoorbeeld $0.1 M_\odot$ bewijst weliswaar de aanwezigheid van PBHs, maar het bewijst niet dat de PBHs zelf $0.1 M_\odot$ wegen. Ze kunnen veel kleiner zijn.
2. Observatiele Implicaties: Het indirecte scenario laat een specifiek spoor achter in de massaverdeling van zwarte gaten, vooral in ultra-faint dwergstelsels. Dit biedt een mogelijk onderscheidend vermogen tussen de twee scenario's via astronomische observaties.
3. Donkere Materie: Het biedt een nieuwe manier om de samenstelling van donkere materie (specifiek de populatie van zeer kleine PBHs) te koppelen aan de waargenomen populatie van compacte objecten.