Телескоп горизонта событий показал новый метод поиска темной материи
Черные дыры, особенно сверхмассивные дыры в галактических центрах, являются средоточием экстремальных факторов, которые могут побудить неуловимую темную материю выдать себя.
Дмитрий ПавловАвтор Hi-Tech Mail
Согласно новому исследованию, опубликованному в журнале Physical Review Letters, черные дыры могут помочь разгадать загадку темной материи. Теневые области на снимках черных дыр, полученных с помощью телескопа Event Horizon («Телескоп Горизонта Событий»), могут служить сверхчувствительными детекторами невидимого вещества, которое составляет большую часть материи во Вселенной.
Темная материя составляет примерно 85% всей материи во Вселенной, но ученые до сих пор не знают, что она собой представляет. В этом исследовании в качестве нового метода обнаружения предлагается визуализация черных дыр, которая имеет ряд существенных преимуществ.
Телескоп горизонта событий (ТГС) позволяет исследовать экстремальные условия вокруг сверхмассивных черных дыр (СМЧД) и расширять границы известных физических законов. Экстремально высокая гравитация СМЧД делает их естественными концентраторами материи, создавая уникальную точку соприкосновения физики элементарных частиц, гравитации и астрофизических наблюдений.
Исследовательская группа сосредоточилась на поразительной особенности изображений черных дыр: области тени, которая кажется темной при наблюдениях ТГС за СМЧД M87* и Стрелец A*. Они пока считаются гипотетическими (на это указывают звездочки), но ученые почти не сомневаются в их присутствии в центрах галактики M87 и нашего Млечного Пути.
Опуская достаточно пространные астрофизические и космологические выкладки авторов исследования, остановимся на главных тезисах простыми словами:
- Сверхмассивные черные дыры — объекты с максимальной плотностью как барионной, так (вероятно) и темной материи;
- Огромная гравитация и другие формы взаимодействия в СМЧД заставляют частицы менять привычные «повадки»;
- Возможно, частицы темной материи, попав за горизонт событий СМЧД, аннигилируют или вступают во взаимодействие с элементами барионной материи;
- Все это отражается в морфологии СМЧД, в частности в светимости ее аккреционного диска и джетов, запечатлеваемых Телескопом горизонта событий.
Дело за малым — нужно лишь включить алгоритм глубокого моделирования, прописать возможные сценарии развития событий и предъявить научному сообществу сигналы проявления темной материи на полученных изображениях.
Космическая фотолаборатория
Телескоп Event Horizon — это глобальная сеть радиообсерваторий, которые работают сообща, чтобы достичь уровня разрешения размером с Землю с помощью интерферометрии со сверхдлинными базами. Работая на частоте 230 ГГц, телескоп улавливает синхротронное излучение, которое возникает, когда электроны движутся по спирали вдоль линий напряженного магнитного поля вблизи сверхмассивных черных дыр. Чтобы понять, что они видят, астрофизики проводят сложные компьютерные симуляции. Одной из них стала модель магнитосвязанного диска (дословно «арестованного» — magnetically arrested disk, MAD).
Она неизменно показывает наилучшее соответствие наблюдениям ТГС. В модели сильные магнитные поля пронизывают аккреционный диск, где они регулируют поток падающей материи в дыру и создают струи, которые вырываются перпендикулярно диску.
Модель достоверно объясняет, почему тени черных дыр кажутся темными: большинство электронов находится в аккреционном диске, в то время как в областях джетов над и под диском относительно мало частиц, что создает резкий контраст на изображениях.
Обычная астрофизическая плазма выбрасывается мощными джетами, из-за чего теневая область становится особенно тусклой. Однако темная материя может также непрерывно выбрасывать новые частицы, которые излучают в этой области. Поскольку ожидается, что темная материя будет плотно концентрироваться вблизи центра черной дыры, даже слабые сигналы аннигиляции могут выделяться на этом низком астрофизическом фоне, что делает тень идеальным испытательным полигоном.
Моделирование темной материи
Гравитация СМЧД приводит к резкому скоплению темной материи вблизи них, образуя то, что физики называют «вспышкой темной материи» (dark matter spike). В этих областях плотность на несколько порядков выше, чем где-либо еще в галактике.
Поскольку скорость аннигиляции темной материи зависит от квадрата плотности, эти повышенные плотности могут создавать заметные сигналы — если аннигиляция вообще происходит.
Исследовательская группа разработала систему, которая напрямую опирается на модель MAD, добавляя физику темной материи к базовым астрофизическим данным.
Команда применила общее релятивистское магнитогидродинамическое моделирование в сочетании с детальным моделированием распространения частиц. С помощью этой системы они смогли представить поведение электронов и позитронов, возникающих в результате гипотетической аннигиляции темной материи, в структурах магнитного поля, полученных с помощью модели MAD.
В отличие от предыдущих исследований, в которых использовались упрощенные сферические модели, в этом подходе применяются реалистичные асимметричные конфигурации магнитного поля, полученные в результате моделирования MAD. Именно эти поля, по мнению авторов, формируют наблюдаемое астрофизическое излучение.
То, что мы видим на снимках черных дыр, — это не сама черная дыра, а свет, излучаемый обычными электронами в окружающем ее аккреционном диске, поведение которого мы можем смоделировать с помощью хорошо известных физических законов. Если бы частицы темной материи аннигилировали вблизи черной дыры, они бы образовали дополнительные частицы, излучение которых отличается от обычного.
Команда исследователей изучила два канала аннигиляции — пары нижних кварков и антикварков, а также пары электронов и позитронов — в диапазоне масс темной материи от долей ГэВ до 10 ТэВ.
Для каждого сценария они рассчитали результирующее синхротронное излучение и создали синтетические изображения черных дыр, которые сочетали в себе как астрофизическое излучение (от MAD), так и потенциальные сигналы от темной материи.
Работа выделяется тем, что исследователи взяли за основу морфологию черных дыр, а не только общую яркость. Сигналы от аннигиляции темной материи оставались ниже уровня астрофизического излучения в каждой точке изображения, особенно во внутренней теневой области. Сравнивая прогнозы с реальными изображениями ТГС, можно искать едва заметные сигналы, которые указывают на темную материю.
Анализ исключает значительные области ранее неисследованного пространства параметров, устанавливая ограничения на сечения аннигиляции до 10-27 см³/с для текущих наблюдений ТГС.
Ограничения остаются устойчивыми к астрофизическим неопределенностям, в том числе к изменениям параметров вращения черных дыр и температуры плазмы — факторов, которые обычно вносят значительные погрешности в косвенные методы поиска темной материи.
Истинный потенциал этого подхода раскроется после ожидаемых обновлений ТГС. Будущие усовершенствования позволят увеличить динамический диапазон почти в 100 раз, что даст возможность исследовать самые темные области тени, различать очень слабые детали рядом с чрезвычайно яркими объектами.
По словам авторов, этот апгрейд условно можно сравнить с режимом расширенного динамического диапазона (HDR) на смартфонах, который предполагает более глубокую обработку для выделения деталей как в темных, так и в светлых участках одного и того же изображения.
О первом в мировой астрономии снимке парной черной дыры читайте в материале Hi-Tech Mail.
- космос
Поделиться
