Могут ли черные дыры светиться из-за темной материи?

Темная материя, утекающая по спирали в массивную черную дыру, может излучать гамма-лучи, которые могут быть видимы с Земли, считают ученые. Темной материи во Вселенной в пять раз больше обычной, но она не излучает, не отражает и не поглощает свет, тем самым являясь полностью прозрачной или невидимой. Но если частицы темной материи вокруг темных дыр могут производить гамма-лучи (высокоэнергетический свет), эти излучения могли бы предоставить ученым новый способ изучения этого загадочного материала.

Процесс, ответственный за создание гамма-лучей, кажется несколько нелогичным, поскольку бросает вызов двум общим допущениям: ничто не может покинуть черную дыру и не бывает бесплатного сыра в мышеловке.

Невероятный побег

Джереми Шниттман — астрофизик-теоретик из Центра управления космическими полетами Годдарда NASA, и он начинает проект по изучению данных космического гамма-лучевого телескопа Ферми на предмет поиска высокоэнергетического света на границе черной дыры, который мог бы излучаться темной материей.

«Мы, на самом деле, только начали заниматься этой проблемой, — говорит Шниттман. — Как астрофизик-теоретик за свою карьеру я проанализировал не так много данных, поэтому мне придется подучиться. К счастью, меня окружают люди здесь, в Годдарде, которые являются реальными экспертами по данным Ферми».

Поиск темной материи у Шниттмана начался с компьютерной программы, которую он разрабатывал десять лет. Она моделирует в 3D пути частиц, которые проносятся в пространстве рядом с черной дырой, некоторые оказываются достаточно близко, чтобы выйти на ее орбиту или упасть в нее.

Около года назад, он решил настроить программу для моделирования частиц темной материи. В результате получилось видео, которое показывает, как субатомные частицы захватываются гравитационной тягой черной дыры и кружат вокруг региона под названием эргосфера (в которой все частицы должны вращаться в направлении вращения черной дыры). Некоторые из этих частиц сталкиваются и уничтожают друг друга (происходит аннигиляция), и это производит гамма-лучи.

Обычно эти частицы света падали бы в черную дыру, не в силах бороться с ее притяжением, если бы не так называемый процесс Пенроуза.

В 1971 году астрофизик Роджер Пенроуз показал, что если очень близко к черной дыре рождаются два фотона, существует возможность, что один убежит, а другой упадет внутрь. Эта идея противоречит идее о том, что ничто не может покинуть черную дыру, или ничто из того, что пересекает «горизонт событий» — границу, за которой гравитационное притяжение становится настолько сильным, что даже свет не может покинуть его.

Согласно принципу Пенроуза, частицы не образуются за этой точкой невозврата, но в обычных обстоятельствах у каждой частицы был бы шанс сбежать. Поэтому принцип Пенроуза как бы изменяет судьбу как минимум одной частицы, давая ей шанс на отступление.

В 2009 году группа ученых показала, что процесс Пенроуза можно применить к частицам темной материи, которые аннигилируют с образованием двух гамма-лучей. Если частицы темной материи аннигилируют рядом с поверхностью черной дыры, телескопы на Земле могли бы уловить убегающие гамма-лучи.

Модель Шниттмана показала еще больше путей, которые могут избрать частицы, включая и то, что должно рождаться еще больше гамма-лучей, которые могут покинуть черную дыру, а их энергия будет еще выше. Краткое описание результатов было опубликовано в Physical Review Letters, а более подробное — в Astrophysical Journal.

Вооружившись этими результатами, Шниттман и его коллеги сейчас ищут такой сигнал, хотя полагают, что он будет крайне тусклым по сравнению со многими другими источниками гамма-излучения. Ученые создают список целевых галактик, у которых имеется несколько гамма-лучевых источников и очень массивные черные дыры.

«Чем больше черная дыра, тем больше сигнал, — говорит Шнитттман. — Он масштабируется так, что если масса вашей черной дыры увеличивается на 10 порядков, ожидаемый сигнал усилится на 1000 порядков».

«Первые намеки на обнаружение этого эффекта, безусловно, не будут свидетельствовать о конкретном обнаружении. Но обеспечат мощный верхний предел для этого типа процесса, а также подкрепление теории о взаимодействии высокоэнергетических частиц темной материи. Это уже прогресс».

Бесплатный сыр

Частицы, которые покидают черную дыру посредством процесса Пенроуза, не только освобождаются, но и уходят с большей энергией, нежели имели раньше. На самом деле, конечная энергия должна быть ощутимо больше. Это, по сути, бесплатный сыр.

С момента выхода в свет работы Пенроуза, ученые показали, что убегающие частицы не только воруют энергию у своих партнеров (в основном отталкиваясь от другой частицы), но также воруют ее у вращающейся черной дыры. Каждая частица Пенроуза, которая покидает черную дыру, замедляет ее вращение на крохотную величину.

(Когда Пенроуз изначально предлагал свою идею, он писал, что это явление можно было бы использовать в продвинутом обществе как переработку мусора с выходом энергии, где мусор выступал бы частицами, падающими в черную дыру, производящими высокие энергии на выходе).

Шниттман говорит, что надеется обнаружить сигнал темной материи в данных Ферми. Правда, увидеть такой небольшой сигнал на общем фоне гамма-лучей Вселенной будет очень непросто, да и само существование сигнала стоит под вопросом: образуют ли частицы темной материи гамма-лучи при аннигиляции?

Напомним, что ученые не знают, из чего состоит темная материя, не говоря уж о том, аннигилируют ли ее частицы, как то предполагает модель Шниттмана. Поэтому, если Шниттман найдет сигнал, это будет мощным прорывом в исследовании темной материи.