«Темная» замена: может ли скопление невидимой материи маскироваться под черную дыру в центре Млечного Пути?

Новое исследование предполагает, что сверхмассивная черная дыра в сердце Млечного Пути на самом деле может быть колоссальным, но компактным сгустком темной материи.

Ученые заявляют, что такой сгусток оказывал бы то же гравитационное воздействие, которое сейчас приписывают сверхмассивной черной дыре Стрелец A* (Sgr A*). Это объясняло бы и стремительный танец звезд в центре Галактики — так называемых S-звезд, которые носятся вокруг компактного ядра со скоростью до 30 000 километров в секунду (около 10% скорости света). По словам команды, подобный сгусток темной материи также отвечал бы за орбиты запыленных объектов, известных как G-источники.

Однако такая замена черной дыры на темную материю возможна лишь при условии, что последняя состоит из сверхлегких частиц, относящихся к семейству «фермионов». Это наделило бы плотный кластер в центре Галактики способностью формировать космическую структуру, соответствующую наблюдаемым характеристикам Галактического Центра.

Исследователи полагают, что фермионная темная материя способна создавать структуру со сверхплотным компактным ядром, масса которого настолько велика, что имитирует сверхмассивную черную дыру в 4,6 миллиона солнц. Это ядро, в свою очередь, окружало бы обширное диффузное гало, простирающееся далеко за пределы видимой материи Млечного Пути, функционируя как единое целое. Никакая другая модель темной материи не способна воспроизвести подобную конструкцию.

«Мы не просто заменяем черную дыру на темный объект — мы предполагаем, что сверхмассивный центральный объект и гало темной материи галактики — это два проявления одного и того же континуального вещества», — заявил в пресс-релизе участник исследования Карлос Аргуэльес из Института астрофизики Ла-Платы.

Видеть — значит верить… Но что именно мы видим?

Теория, предложенная Аргуэльесом и его коллегами, во многом опирается на данные миссии «Гея» Европейского космического агентства, опубликованные в июне 2022 года в рамках третьего релиза данных.

«Гея» позволила команде точно картировать вращение и орбиты звезд и газа во внешнем гало Млечного Пути, выявив замедление кривой вращения нашей галактики — так называемый кеплеровский спад. Исследователи полагают, что этот спад можно объяснить наличием диффузного внешнего гало — ключевого фактора их модели, который, как мы теперь знаем, подтверждает фермионную природу темной материи.

В стандартной космологической модели ΛCDM (лямбда-CDM), описывающей темную материю как «холодную» (частицы движутся значительно медленнее света), формируется протяженный «хвост» гало. Ему сложно объяснить замедление, зафиксированное «Геей». Фермионная же модель предсказывает более плотный и компактный «хвост», который как раз и способен вызвать кеплеровский спад. В модели с Sgr A* темная материя в центре галактики не связана с внешним гало в единую структуру, поэтому такой «хвост» попросту отсутствует.

«Это первый случай, когда модель темной материи успешно объединила столь разные масштабы и орбиты различных объектов, включая современные данные по кривой вращения и движению центральных звезд», — добавил Аргуэльес.

Пока все складывается непротиворечиво. Теория о том, что в центре нашей галактики может находиться сгусток темной материи, а не черная дыра, выглядит довольно правдоподобно. Однако в этой комнате находится «слон» массой в 4,6 миллиона солнц — снимок Sgr A*, полученный Телескопом горизонта событий (EHT) и обнародованный в мае 2022 года. Исследователи уверяют, что их фермионная модель способна объяснить и это.

Снимок EHT: тень или мимикрия?

Прежде чем углубляться в это объяснение, стоит понять, что именно мы видим на изображении EHT того, что пока принято считать Sgr A*.

Светящееся золотистое кольцо на снимке — это на самом деле раскаленная материя, вращающаяся вокруг некоего объекта в центре Млечного Пути. Мы видим не саму черную дыру (это невозможно, так как черные дыры окружены поверхностью, захватывающей свет — горизонтом событий), а лишь тень, которую она отбрасывает.

В 2024 году исследователи продемонстрировали, что плотное ядро из фермионной темной материи тоже может отбрасывать тень, подобную той, что запечатлел EHT. Это ядро, как и черная дыра, оставалось бы невидимым, поскольку темная материя, как известно, не взаимодействует со светом.

«Это переломный момент, — считает руководитель группы Валентина Креспи из Института астрофизики Ла-Платы. — Наша модель не только объясняет орбиты звезд и вращение галактики, но и согласуется со знаменитым изображением "тени черной дыры". Плотное ядро темной материи может имитировать тень, потому что оно настолько сильно искривляет свет, что создает центральную темную область, окруженную ярким кольцом».

Хотя команда провела статистическое сравнение своей модели темной материи с общепринятой моделью сверхмассивной черной дыры в центре Млечного Пути, и первая успешно воспроизвела поведение S-звезд, G-источников, структуру нашей галактики и тень черной дыры, исследователи подчеркивают, что эта теория находится на ранней стадии развития.

Тем не менее, работа ученых задает вектор для будущих наблюдений с помощью Очень Большого телескопа (VLT), целью которых станет поиск фотонных колец в центре Млечного Пути. Если в центре находится Sgr A*, эти кольца будут присутствовать; если же доминирующий объект — плотный сгусток темной материи, они будут отсутствовать.

Очевидно, что Sgr A* еще не готов уступить свой трон темной материи.

Исследование команды было опубликовано 5 февраля в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS).