Fysiker vurderer effekten af ​​mørkt stof på skyggen af ​​et sort hul

En RUDN University fysiker har udviklet en formel til evaluering af effekten af ​​mørkt stof på størrelsen af ​​skyggen af ​​et sort hul. Det viste sig, at effekten kun ville være mærkbar, hvis koncentrationen af ​​denne hypotetiske form for stof omkring sorte huller i galaksernes centre er unormalt høj. Hvis det ikke er tilfældet, så er det usandsynligt, at mørkt stof kunne detekteres ved hjælp af skyggen af ​​et sort hul. Værket blev offentliggjort i tidsskriftet Fysik bogstaver B:Nuklear, Elementærpartikel og højenergifysik .

I april 2019, Event Horizon Telescope modtog det første billede nogensinde af skyggen af ​​et supermassivt sort hul placeret i midten af ​​M87-galaksen. For at få dette skud, astronomer skulle kombinere otte observatorier placeret rundt om på kloden. Billedet har ikke tilstrækkelig opløsning til klart at definere geometrien af ​​det centrale sorte hul, men forskerne håber at opnå højere kvalitet i fremtiden. At bestemme formen på dens skygge vil give astronomer mulighed for at teste forskellige versioner af tyngdekraftsteorien og, eventuelt, finde en "bro", der ville kombinere kvantemekanik og den generelle relativitetsteori.

Roman Konoplya, en lektor ved det pædagogiske og videnskabelige institut for tyngdekraft og kosmologi ved RUDN University, spekulerede på, om hypotetisk mørkt stof, som tegner sig for omkring 85 procent af alt stof i universet, kan have en synlig effekt på formen og radius af skyggen af ​​et sort hul - en mørk plet, der opstår på grund af krumningen af ​​fotonernes baner i det supermægtige gravitationsfelt af et sådant objekt. Kosmologen opnåede en formel, der gør det muligt at bestemme ændringen i skyggens radius afhængigt af mængden af ​​mørkt stof, der omgiver den.

RUDN-kosmologen undersøgte en simpel sfærisk model af et ikke-roterende (Schwarzschild) sort hul omgivet af en glorie af mørkt stof. Derefter udviklede han en generel formel til måling af radius af skyggen af ​​et sort hul ved at overveje ligningen for rummetrikken for tilfældet med mørkt stof.

Løsningerne af ligningen afhænger af den relative position af fotonkuglen og den spredte skal af mørkt stof - haloen. Fotonkuglen er den mindste radius af fotonens kredsløb omkring et sort hul. En foton i dette kredsløb kan ikke længere forlade nærheden af ​​hullet, men falder endnu ikke ned i det.

Der kan være tre muligheder for en sådan gensidig rumlig ordning. Den første er, at mørkt stof er fordelt på en sådan måde, at fotonkuglen ligger mellem laget af mørkt stof og begivenhedshorisonten. I dette tilfælde, størrelsen af ​​skyggen af ​​det sorte hul ville ikke ændre sig for iagttageren, og vi vil ikke være i stand til at opdage tilstedeværelsen af ​​mørkt stof ved formen af ​​skyggen. Den anden – når haloen af ​​mørkt stof er tættere på begivenhedshorisonten end fotonsfæren – er umulig, da alt stof i dette område uundgåeligt vil blive absorberet af det sorte hul.

Den tredje mulighed er den mest interessante:Fotonkuglen er nedsænket i en glorie af mørkt stof. I dette tilfælde, skyggens radius ville afhænge af tætheden af ​​laget af mørkt stof og af dets masse:Jo mindre tæthed og jo højere masse, jo større radius af skyggen. Imidlertid, Beregningerne udført af RUDN-kosmologen viste, at for at ændringen i radius af skyggen af ​​det sorte hul skulle være mærkbar for en udefrakommende observatør, en unormalt høj koncentration af mørkt stof omkring det centrale sorte hul er påkrævet. Roman Konoplya konkluderede, at påvirkningen af ​​mørkt stof på skyggens radius sandsynligvis vil være umærkelig.

"For at deformere det sorte huls geometri så meget, at det vil være mærkbart fra observationer af skyggen, mørkt stof bør koncentreres nær det sorte hul. I vores galakse, der er, ifølge nogle skøn, omkring 100 milliarder solmasser af mørkt stof. Imidlertid, det antages, at mørkt stof er fordelt i hele den galaktiske glorie og ikke kun i dens centrum. For at påvirke skyggen af ​​et sort hul, al denne enorme masse skal koncentreres i den centrale region, som fylder cirka en milliondel af dets samlede volumen, " forklarede Roman Konoplya.

Det negative resultat, hvilket betyder, at moderne astronomer ikke ville være i stand til at bruge sorte huller som en "detektor" af mørkt stof, er ekstremt vigtigt for astrofysikere, der er engageret i dens søgning. Mørkt stof er en hypotetisk form for stof, som udgør omkring 85 procent af universets stof og omkring 25 procent af dets tæthed, efter moderne skøn. Mørkt stof udsender ikke elektromagnetisk stråling, i modsætning til almindeligt baryonisk stof, og interagerer ikke direkte med det. Derfor, trods alle anstrengelser, astronomer har stadig ikke været i stand til at få direkte beviser for dens eksistens.

Men hvis en unormalt høj koncentration af mørkt stof omkring et sort hul viser sig at være mulig af en eller anden grund, astronomer bliver nødt til at overveje modeller, der også tager højde for virkningerne af rotationen af ​​det sorte hul og det mørke stof, der omgiver det.