Супермасивні чорні діри можуть бути оточені скупченнями темної матерії, нова техніка 'ехо-картування' пропонує

Астрономи використали техніку, звану ехо-картуванням, щоб виявити натяки на те, що супермасивні чорні діри, такі як космічний титан у серці Чумацького Шляху, відомий як Стрілець A* (Sgr A*), оточені щільними хмарами та скупченнями темної матерії. Це дослідження може навчити нас більше про цю таємничу субстанцію та середовища навколо супермасивних чорних дір.

Темна матерія є найтаємничішою речовиною у всесвіті, перевищуючи звичайну матерію в космосі в співвідношенні п’яти до одного — але залишається фактично невидимою, оскільки не взаємодіє з електромагнітним випромінюванням, включаючи світло, яке ми використовуємо для спостереження. Єдиний спосіб, яким вчені можуть навіть припустити наявність темної матерії, — це через її взаємодію з гравітацією та вплив, який ця взаємодія має на об'єкти, що складаються з традиційної матерії, такі як зірки. Наприклад, гравітаційний вплив темної матерії дозволяє зіркам на краях галактик обертатися з набагато більшими швидкостями, ніж це дозволила б видима матерія цих галактик.

Ця команда вирішила перевірити гравітаційний вплив темної матерії в серцях галактик, середовищах, що домінуються супермасивними чорними дірами, які можуть мати маси в мільйони або навіть мільярди разів більші, ніж маса Сонця. Звичайна матерія навколо цих супермасивних чорних дір часто дуже помітна, особливо коли вона спірально рухається в пащу одного з цих космічних титанів з плоскої хмари, званої акреційним диском. Це відбувається тому, що гравітаційний вплив цих чорних дір генерує величезні обсяги тертя, що призводить до їх яскравого зростання. Це не спрацює для темної матерії; вона не може відчувати тертя, оскільки не взаємодіє сама з собою або з звичайною матерією, і не може світитися, оскільки не поглинає і не випромінює світло.

Очевидно, що темну матерію не можна виявити навколо супермасивних чорних дір навіть за допомогою найсучасніших телескопів, таких як Телескоп горизонту подій (EHT), який зафіксував світлові кільця матеріалу навколо Sgr A* та навколо більш віддаленої супермасивної чорної діри, що панує в серці галактики Мессьє 87 (M87).

Обговорюючи проблему виявлення темної матерії навколо супермасивних чорних дір, Майанк Шарма, аспірант фізики у Вірджинському політехнічному інституті та державному університеті (Virginia Tech), знайшов цікаве рішення.

"Ми насправді могли б перевірити це припущення, використовуючи техніку в астрономії, яка дозволяє вимірювати відстань до навколишнього газу, шукаючи ехо світла," — сказав Шарма в заяві. Техніка, на яку посилається Шарма, називається "ехо-картуванням", і вона стала надійним методом визначення маси чорних дір.

Ехо темної матерії

Ехо-картування базується на тому факті, що коли матерія падає в чорну діру, вона вивільняє сплеск енергії, що викликає пульсацію акреційного диска, з якого вона походить. Цей сплеск світла подорожує від акреційного диска до газу в більш широкому середовищі чорної діри. Цей газ поглинає це світло і також пульсує, причому цей вторинний сплеск служить ехо першого.

Оскільки ми знаємо швидкість світла, коли астрономи бачать перший сплеск світла, а потім його ехо, вони можуть використовувати час між сплесками, щоб оцінити відстань між чорною дірою та газом на околицях її середовища. Розмір чорної діри та відстань між нею та зовнішніми газовими хмарами можуть бути використані для визначення її маси, а також можуть бути використані для визначення маси темної матерії, що скупчується навколо неї.

Команда застосувала свій метод до 14 різних галактик, виявивши в п’яти випадках, що маса збільшується, віддаляючись від центральної чорної діри, у спосіб, який не можна пояснити лише видимою матерією. Незважаючи на ранній успіх цього дослідження, це далеко не доводить, що супермасивні чорні діри дійсно є місцями скупчення темної матерії. Знахідки команди вказують на цікаві перспективи для подальшого дослідження найтаємничішої субстанції у всесвіті та її найтаємничіших регіонів.

"Ці галактики безумовно демонструють натяк на те, що є додаткова матерія, яку не можна пояснити лише супермасивною чорною дірою," — сказав Шарма. "Перспективи захоплюючі."

Дослідження команди було опубліковано в журналі Physical Review D.