Відлуння світла показує, що темна матерія може збиратися навколо надмасивних чорних дір

Ми знаємо, що темна матерія існує. Це просто термін-заповнювач для чогось, що ми не розуміємо, якоїсь примарної маси, яка пояснює, як галактики обертаються так швидко, не розлітаючись на частини.

Фріц Цвіккі ввів термін "темна матерія" в основному на основі своїх спостережень за галактиками в кластері Кома. Цвіккі виявив, що галактики рухаються швидко. Після обчислення мас цих галактик з усіх їхніх зірок і пилу, він зрозумів, що вони недостатньо масивні, щоб утримувати себе в кластері. Вони повинні розлетітися, і кластер повинен розпастися.

Але вони не розлітаються, і Цвіккі сказав, що має бути присутнім якийсь невидимий тип маси, щоб це пояснити, і він назвав це темною матерією. Ідея не була широко прийнята в той час і залишалася цікавинкою протягом десятиліть.

Потім у 1970-х роках Вера Рубін і Кент Форд досліджували окремі спіральні галактики і вимірювали, як швидко їхні зірки обертаються навколо галактичного центру. Зірки, що знаходяться найдалі від центру, повинні рухатися повільніше, ніж ті, що ближче до центру, оскільки більше маси зосереджено в центрі. Але це не те, що вони виявили. Вони виявили, що швидкість обертання зірок була дивно сталою, незалежно від того, наскільки далеко вони були від центру. Це означає, що зовнішні зірки також рухалися швидко, настільки швидко, що вони повинні були б вилетіти в міжгалактичний простір. Галактики повинні були б розірватися.

Це стало відомим як проблема обертання галактик.

Робота Рубін і Форда була впливовою. Лише більше маси могло вирішити проблему обертання галактик, і ідея темної матерії стала широко прийнятою. Це був новий тип небарыонної матерії, яка не взаємодіє зі світлом. Це не дуже точний опис, і точна природа темної матерії досі залишається загадкою. Робота Рубін підтвердила існування темної матерії, і люди досі працюють над цим, все ще обговорюючи ідеї про її природу.

Хоча темну матерію можна виявити лише за її гравітаційним впливом на нормальну масу, таку як зірки і газ (і за допомогою викривлення простору-часу в гравітаційному лінзуванні), цей вплив можна виявити і виміряти. Ми знаємо про темні матерійні гало навколо галактик з 1970-х років. Це невидимі сфери, які сприяють формуванню галактик, як невидимі каркасні конструкції. Ми також знаємо, що темна матерія є структурним каркасом для великомасштабної структури Всесвіту.

Але тепер є докази, що темна матерія також збирається навколо надмасивних чорних дір (НМЧД). Це в новому дослідженні в Physical Review D під назвою "Новий метод для відстеження профілю густини темної матерії навколо надмасивних чорних дір за допомогою картування реверберації AGN." Головний автор - Маянк Шарма, аспірант фізики університету Вірджинія Тек.

НМЧД - це щільності, які тягнуть і деформують сам простір-час. Газ і пил падають до них, утворюючи нагрітий, обертовий акреційний диск. Ми можемо бачити, як це відбувається, завдяки яскравим спалахам, які виникають з нагрітого матеріалу, частина з якого витягується за горизонт подій. Ці спалахи подорожують через Всесвіт, іноді займаючи мільярди років, щоб досягти нас.

У цій роботі Шарма та його колеги показують, що разом з усією звичайною матерією, яка притягується до НМЧД, створюючи давні, віддалені світлові шоу, темна матерія також буде.

Вони використали техніку, звану "картуванням реверберації", щоб виміряти, скільки темної матерії знаходиться поблизу НМЧД в інших галактиках. "Ми пропонуємо новий метод для визначення профілю густини темної матерії в околицях віддалених надмасивних чорних дір (НМЧД) за допомогою вимірювань картування реверберації (RM) активних галактичних ядер (AGN)," пишуть автори. "Картування кількох емісійних ліній дозволяє виміряти замкнуту масу в різних радіусах від центрального НМЧД, що може бути використано для виведення або обмеження профілю густини темної матерії на субпарсекових масштабах."

Світло з AGN приходить у двох окремих імпульсах. Перший - безпосередньо з нагрітого матеріалу в акреційному диску. Другий приходить, коли цей початковий імпульс вдаряється в навколишнє міжзоряне середовище (ISM). Цей матеріал потім повторно випромінює світло, як звукове відлуння.

Астрономи можуть виявити перший імпульс, а потім другий через мить. Світло рухається з постійною швидкістю, тому затримка між двома імпульсами говорить їм, як далеко від НМЧД знаходиться газ. На основі зв'язку між швидкістю світла, відстанню та масою, їм вдалося виміряти кількість темної матерії поблизу НМЧД. Вони зробили це для 14 галактик.

"Ці галактики безсумнівно показують натяк на те, що є додатковий матеріал, який не можна пояснити лише надмасивною чорною дірою," сказав головний автор Шарма в прес-релізі.

Досі ці результати є лише натяком на те, що темна матерія збирається поблизу НМЧД. "Ми виявили, що для п'яти об'єктів спостережувана замкнена маса дійсно зростає з радіусами, натякаючи на наявність компонента темної матерії на рівні 1-2σ," пишуть автори. Дослідники кажуть, що це є доказом "універсального профілю темної матерії." Але вони також зазначають, що це лише слабкі або помірні статистичні докази наявності певної кількості темної матерії поблизу п'яти НМЧД.

"Однак ми підкреслюємо, що більшість джерел у нашій вибірці не показують переваги для моделі з зростаючою масою над моделлю з постійною масою," пишуть автори.

Дослідники також кажуть, що незважаючи на слабкі або помірні докази, які надає їхнє дослідження, метод, який вони використали, може виявитися більш плідним у майбутньому. "Наша робота встановлює перший зв'язок між спостережувальною технікою RM і теоретичною основою спайків темної матерії, обидві з яких мають на меті вивчення одних і тих же просторових масштабів у екстрагалактичних НМЧД," пояснюють вони.

Знаходження більшої кількості темної матерії поблизу НМЧД не змінює космологію. Це не змінює, скільки темної матерії є у Всесвіті, і не підтримує чи не заперечує модель Лямбда-CDM. Це просто змінює, як темна матерія розподіляється у Всесвіті. Темна матерія в цих галактиках вже врахована в гало, ці результати лише показують, що більше її може бути зосереджено навколо НМЧД галактики.

Але якщо ці спайки темної матерії реальні, це перетворює НМЧД на свого роду лабораторію темної матерії. Це ще одне місце або ситуація, де фізики можуть її вивчати. Ці результати можуть вплинути на моделі зростання НМЧД або навіть на виявлення частинок темної матерії.