Тень черной дыры как лаборатория: новый метод поиска темной материи
Согласно новому исследованию, опубликованному в журнале Physical Review Letters, черные дыры могут помочь разгадать одну из главных тайн Вселенной — природу темной материи. Темные области, так называемые «тени», на изображениях черных дыр, полученных Телескопом Горизонта Событий (Event Horizon Telescope, EHT), могут служить сверхчувствительными детекторами для этой невидимой материи, которая составляет большую часть вещества во Вселенной.
Темная материя, на долю которой приходится около 85% материи космоса, остается для ученых загадкой. Исследователи предложили бесчисленное множество способов ее обнаружения, и вот теперь в их арсенале появился новый, элегантный метод — использование изображений черных дыр, обладающий рядом уникальных преимуществ.
Потрясающие снимки сверхмассивных черных дыр, сделанные EHT, раскрыли не только геометрию пространства-времени, но и неожиданно открыли новое окно в поиски темной материи.
Космическая темная комната
Телескоп Горизонта Событий — это глобальная сеть радиотелескопов, которые работают согласованно, достигая разрешения, эквивалентного размеру Земли. Наблюдая на частоте 230 ГГц, EHT регистрирует синхротронное излучение — свет, который испускают электроны, двигаясь по спирали вдоль силовых линий мощных магнитных полей вблизи черных дыр.
Чтобы интерпретировать увиденное, астрофизики проводят сложные компьютерные моделирования. Наилучшее соответствие наблюдениям EHT демонстрирует модель магнитно-арретированного диска (MAD). Согласно этой модели, сильные магнитные поля, пронизывающие аккреционный диск, не только регулируют поток падающего вещества, но и питают джеты — струи вещества, вырывающиеся перпендикулярно диску.
Ключевой момент: модель MAD объясняет, почему тени черных дыр выглядят темными. Большинство электронов сосредоточено в аккреционном диске, в то время как области джетов над и под ним относительно бедны частицами, что создает на изображениях резкий контраст.
«Обычная астрофизическая плазма часто выбрасывается мощными джетами, из-за чего область тени становится особенно тусклой, — пояснил соавтор исследования Ифань Чэнь из Института Нильса Бора. — Однако темная материя может непрерывно „впрыскивать“ в этот регион новые частицы, которые будут излучать».
Поскольку темная материя должна сильно концентрироваться вблизи центра черной дыры, даже слабые сигналы от ее аннигиляции могут быть заметны на фоне низкого астрофизического излучения, делая тень идеальным полигоном для поиска.
Моделирование темной материи
Гравитация сверхмассивных черных дыр заставляет темную материю сгущаться в их окрестностях, формируя так называемый «спайк» (пик) темной материи. Плотность в этих регионах на порядки выше, чем где-либо еще в галактике. Так как скорость аннигиляции темной материи зависит от плотности в квадрате, эти сверхвысокие плотности могут порождать detectable сигналы — если аннигиляция вообще происходит.
Команда разработала сложную модель, которая напрямую надстраивается над моделью MAD, добавляя к астрофизической основе физику темной материи. Ученые применили релятивистские магнито-гидродинамические симуляции (GRMHD) вместе с детальным моделированием распространения частиц. Это позволило им смоделировать, как электроны и позитроны от гипотетической аннигиляции темной материи будут вести себя в магнитных полях, полученных из модели MAD.
«То, что мы видим на изображениях черных дыр, — это не сама черная дыра, а свет, испущенный обычными электронами в окружающем аккреционном диске, — сказал соавтор Цзин Шу из Пекинского университета. — Если бы частицы темной материи аннигилировали вблизи черной дыры, они производили бы дополнительные электроны и позитроны, чье излучение будет несколько отличаться от обычного».
Критическое различие — в пространственном распределении. В модели MAD электроны сконцентрированы в диске, а в джетах их мало — это и создает темную тень. Но электроны и позитроны от аннигиляции темной материи распределялись бы более равномерно по всем областям, включая джеты, поскольку аннигиляция непрерывно поставляет частицы даже туда, где астрофизические процессы производят мало электронов.
Морфология как инструмент обнаружения
Уникальность работы в том, что исследователи используют не просто общую яркость изображения, а его морфологию — форму и структуру излучения. Они требуют, чтобы сигналы от темной материи не превышали астрофизическое излучение в каждой точке изображения, особенно внутри тени.
«Сравнивая эти предсказания с реальными изображениями EHT в этой „темной комнате“, мы можем искать тонкие сигналы, которые могут указать на темную материю», — пояснил Шу.
Такой морфологический подход оказался значительно мощнее предыдущих методов, основанных только на полной интенсивности. Анализ уже позволил исключить обширные области ранее неисследованного параметрического пространства, установив ограничения на поперечное сечение аннигиляции.
Будущие перспективы
Истинная сила этого метода раскроется с грядущими обновлениями EHT. Будущие улучшения обещают увеличить динамический диапазон почти в 100 раз и достичь углового разрешения, эквивалентного примерно одному гравитационному радиусу, что позволит заглянуть еще глубже в самые темные области тени.
«Ключевое улучшение — это увеличение динамического диапазона телескопа, то есть его способности выявлять очень тусклые детали рядом с чрезвычайно яркими объектами», — объяснил Чэнь.
Эти усовершенствования могут позволить обнаружить темную материю с сечением аннигиляции вблизи так называемого «теплового» значения — важного теоретического ориентира — для масс вплоть до примерно 10 ТэВ.
Ученые смотрят в будущее с оптимизмом, намечая новые пути для развития этого направления. «Тень черной дыры — это не просто статичное изображение; это динамическая, многослойная лаборатория, — говорит Цзин Шу. — Помимо карт интенсивности, данные о поляризации излучения, которые также получает EHT, открывают новые возможности, поскольку поляризация кодирует информацию о том, как магнитные поля и плазма формируют излучение».
По словам Шу, не менее важны и многочастотные наблюдения. Разные механизмы излучения по-разному зависят от частоты, что позволит исследователям определить источник излучения — по сути, использовать «разные цвета» для того, чтобы отличить сигналы темной материи от астрофизического фона. Следующим шагом может стать создание единой многоканальной модели, которая одновременно описывала бы данные EHT в различных частотных диапазонах и от разных объектов, что еще больше сузит круг возможных кандидатов на роль темной материи и, возможно, наконец прольет свет на эту вселенскую тайну.
В нашем Telegram‑канале, и группе ВК вы найдёте новости о непознанном, НЛО, мистике, научных открытиях, неизвестных исторических фактах. Подписывайтесь, чтобы ничего не пропустить.
