¿Podría haber agujeros negros de materia oscura?

¿Podría la materia oscura comprimir y formar agujeros negros? Dado que la materia oscura es aún más abundante que la materia normal, un agujero negro de materia oscura no debería ser raro ... ¿verdad?

El problema al tratar de formar un agujero negro con materia oscura es que la materia oscura solo puede interactuar débilmente (si es que lo hace) con la materia normal y consigo misma, aparte de la gravedad.

Esto plantea un problema. Para que la materia oscura se concentre lo suficiente como para formar un agujero negro requiere que aumente su energía de unión gravitacional (negativa) sin al mismo tiempo aumentar su energía cinética interna en la misma cantidad. Esto requiere algún tipo de interacción disipativa entre la materia oscura y la materia normal (o en sí misma).

El siguiente escenario debería aclarar esto. Supongamos que tenemos un bulto de materia oscura que atrae gravitacionalmente a otro bulto de materia oscura. A medida que los dos se acercan, aceleran y ganan energía cinética. La energía cinética obtenida será exactamente suficiente para luego separarlos en un grado similar al que comenzaron, a menos que tenga lugar algún proceso disipativo.

Un ejemplo es suponer que la materia oscura está interactuando débilmente con partículas masivas (WIMP). Los WIMP se dibujan gravitacionalmente hacia los centros de las estrellas. Si las interacciones débiles suceden con suficiente frecuencia, entonces podría ser posible que se acumulen en estrellas, en lugar de dispararse por el otro lado.

Se ha planteado la hipótesis de que los agujeros negros podrían hacerse así cerca del centro de una galaxia, sembrada por densas estrellas de neutrones. La densidad de la materia estelar de neutrones, combinada con la densidad mejorada de la materia oscura cerca de los centros de galaxias podría dar lugar a la acumulación de materia oscura en las estrellas de neutrones, lo que llevaría a la formación de agujeros negros.

Una vez que se forma un agujero negro, cualquier materia oscura que ingrese al horizonte de eventos no puede emerger independientemente de la energía cinética que obtenga en el proceso. Sin embargo, todavía hay un problema. El material en órbita alrededor de un agujero negro tiene menos momento angular cuanto más cerca orbita. Para pasar dentro del horizonte de eventos se requiere que la materia oscura pierda impulso angular. La materia normal hace esto a través de un disco de acreción que puede transportar el momento angular hacia afuera mediante pares viscosos, permitiendo que la materia se acumule. La materia oscura tiene una viscosidad casi nula, por lo que esto no puede suceder.

Por lo tanto, construir un agujero negro supermasivo a partir de una semilla más pequeña sería difícil, pero formar pequeños agujeros negros a partir de estrellas de neutrones podría ser más fácil. Se ha propuesto que una relativa falta de púlsares observados hacia nuestro propio centro galáctico podría deberse a este proceso.

Como señaló Rob Jeffries, es imposible formar un agujero negro (BH) a partir de la materia oscura (DM) (a menos que haya una interacción [hipotética] por la cual la materia oscura puede perder energía que evade toda detección). Todavía es poco probable que se acumule DM en un BH existente (dado que DM no puede perder su exceso de energía y momento angular tan fácilmente como el gas), pero no imposible y una pequeña fracción de materia acumulada en los BH supermasivos (SMBH) en los centros galácticos probablemente sea oscura.

Sin embargo, una vez que la materia se ha convertido en un BH, la información sobre sus orígenes (materia oscura o bariónica) se pierde. Por lo tanto, no tiene sentido hablar de agujeros negros de materia oscura : los agujeros negros no tienen ninguna propiedad más allá de su masa, giro y carga ( teorema sin pelo ).

Esta misma propiedad hace que los agujeros negros primordiales sean interesantes como candidatos para la materia oscura, ya que no violarían las restricciones (por ejemplo, de la nucleosíntesis del big bang ) sobre la cantidad de materia bariónica. Sin embargo, AFAIK, los agujeros negros primordiales están desfavorecidos como candidatos a DM (por razones más allá del alcance de esta respuesta).

Los agujeros negros son el resultado de una masa tan concentrada que la gravedad no deja salir nada, incluida la luz. Casi lo único que sabemos sobre la materia oscura es que tiene masa y parece que solo interactúa con la materia ordinaria a través de la gravedad. Como no conocemos la física de la materia oscura en absoluto, es imposible decir qué procesos podrían concentrar la materia oscura lo suficiente como para formar un agujero negro, pero en teoría un agujero negro podría formarse a partir de la materia oscura, o incluso tanto la materia ordinaria como la oscura. importar. Algunos teóricos [ nota al pie ] incluso piensan que eso es exactamente lo que son los agujeros negros supermasivos.

nota al pie : Jeremiah P. Ostriker de la Universidad de Princeton, Collisional Dark Matter and the Origin of Massive Black Holes , y Zoltán Haiman de la Universidad de Columbia, The Formation of the Massive Black Holes . También son interesantes estos documentos , desde 2011 hasta ahora, que citan el artículo seminal de Ostriker.