Следы темной материи предложили искать в эргосфере черных дыр

Если Шниттман прав, земной наблюдатель должен увидеть асимметричное свечение в гамма-диапазоне, исходящее от окрестностей черных дыр.

Изображение: NASA Goddard / Jeremy Schnittman

Джереми Шниттман (Jeremy Schnittman) из Центра управления полетами им. Годдарда (NASA) подверг пересмотру существующие представления о результатах взаимных столкновений частиц темной материи в окрестностях черных дыр и пришел к выводу, что побочные продукты этих столкновений могут быть обнаружены астрономами. Потенциально это позволяет косвенно зарегистрировать существование частиц темной материи. Соответствующая работа опубликована в The Astrophysical Journal, а с ее препринтом можно ознакомиться на arXiv.org.

В 2009 году группа ученых во главе с Максимо Баньядосом (Máximo Bañados) выдвинула гипотезу, согласно которой черная дыра может разогнать находящиеся рядом частицы темной материи, передав им часть своей энергии вращения через механизм Пенроуза. В итоге черная дыра слегка замедлит свое вращение, но для частиц темной материи сыграет роль мощного ускорителя. Поскольку вимпы не участвуют в электромагнитном взаимодействии, объекты, подобные черным дырам, являются единственными, способными сыграть роль ускорителей для таких частиц. Тем не менее, в ряде последующих работ практическая значимость эффекта Баньядоса-Силка-Уэста была поставлена под сомнение. Многие исследователи утверждали, что количество энергии, которое частица может получить через механизм Пенроуза, не так уж и велико.

Джереми Шниттман попытался рассмотреть процесс разгона частиц темной материи близ черных дыр более детально. Используя метод Монте-Карло, ученый провел моделирования одновременного движения в эргосфере миллионов слабовзаимодействующих частиц темной материи («вимпов»). Вимпы, попадающие в эргосферу черной дыры, должны разгоняться до околосветовых скоростей. По расчетам автора, для части из них механизм Пенроуза будет работать намного эффективнее, чем считалось ранее. Шниттман обнаружил, что гамма-лучи от аннигиляции «вимпов» по своей энергии могут быть в 14 раз больше, чем исходные частицы. Более ранние модели, учитывавшие одновременный разгон в эргосфере лишь небольшого количества частиц, показывали, что гамма-лучи по своей энергии могут превзойти исходные частицы лишь на 30 процентов. Хотя, покидая эргосферу черной дыры, гамма-фотоны и потеряют часть своей энергии, она все равно останется больше, чем была у исходных вимпов. «Это моделирование говорит нам, что имеется астрофизически интересный сигнал, который мы можем обнаружить в не слишком отдаленном будущем, по мере совершенствования существующих гамма-телескопов», – комментирует ученый. Иными словами, существует вероятность того, что аннигиляции вимпов дадут гамма-излучение, которое отразится на спектре гамма-фотонов, исходящих от черной дыры.

Механизм Пенроуза – механизм, посредством которого черная дыра передает часть своей энергии вращения выбрасываемому из ее эргосферы телу. Если какое-то тело попадет в последнюю, то часть его падает за горизонт событий, в то время как другая часть, если она двигалась точно с нужной скоростью и в нужном направлении, ускоряется за счет дополнительного искривления пространства-времени вблизи вращающегося массивного тела. При этом вторая часть тела может не только покинуть эргосферу черной дыры, но и получить в итоге больше энергии, чем имелось у первоначального тела падавшего в дыру.

В работе рассматривается дополнительный канал увеличения энергии частиц, при котором их соударения в эрогосфере дополнительно повышают энергии части из них (механизм Пенроуза со столкновением частиц).

Как констатирует Шниттман, повышению вероятности обнаружения следов аннигиляции вимпов способствует и релятивистское замедление времени близ черной дыры. С точки зрения удаленного наблюдателя, частицы, падающие на горизонт событий дыры, сначала ускоряются, но по мере приближения к горизонту замедляются, как бы «ложатся» на него. Поэтому наблюдаемая вблизи него плотность частиц вимпов должна повышаться. По словам исследователя, даже без этого увеличения плотности частиц за счет релятивистских эффектов, множество моделей предсказывают повышенную концентрацию темной материи вблизи черных дыр в центрах галактик. Как он отмечает: «...черная дыра будет захватывать большое количество частиц темной материи на тесно связанные с ней орбиты, резко повышая их плотность [в собственных окрестностях] по мере своего роста».

Кроме того, в ряде моделей, описывающих вимпы, их эффективное сечение столкновения после достижения определенного уровня энергий (за счет разгона черной дырой) может скачкообразно увеличиваться. Из-за всего этого вероятность аннигиляции разогнанных частиц темной материи при столкновениях близ черной дыры будет намного выше, чем в любых других районах Вселенной. Как комментирует Шниттман, если в норме столкновение и аннигиляция двух вимпов также маловероятны, как столкновение двух пуль в перестрелке, то в окрестностях черных дыр таких «пуль» должно быть так много, что периодически они просто обязаны сталкиваться, порождая гамма-лучи высоких энергий.

Согласно его расчетам, из-за этого их теоретически можно будет зарегистрировать с помощью гамма-телескопов. Правда, «увидеть» удастся лишь часть гамма-лучей – те, что образуются с того края черной дыры, который вращается по направлению к земному наблюдателю. Особенно сильным свечение будет по центру такого края, соответствующему экватору черной дыры. Другой ее край, вращающийся в направлении от нас, будет испускать гамма-лучи от аннигиляции частиц в другую сторону. Следя за черными дырами с помощью достаточно эффективных гамма-телескопов, земной наблюдатель должен увидеть асимметричное свечение в гамма-диапазоне.

Своей ближайшей задачей исследователь видит установление верхнего предела частоты аннигиляции вимпов близ черных дыр. Однако в перспективе он планирует найти такие гамма-лучи, что впервые позволит уверенно заявить об обнаружении событий, непосредственно связанных с регистрацией частиц темной материи:


Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.