En fysiker vid RUDN University har utvecklat en formel för utvärdering av effekten av mörk materia på storleken på skuggan av ett svart hål. Det visade sig att effekten bara skulle märkas om koncentrationen av denna hypotetiska form av materia runt svarta hål i galaxernas centrum är onormalt hög. Om det inte är fallet, då är det osannolikt att mörk materia kan detekteras med skuggan av ett svart hål. Arbetet publicerades i tidskriften Fysikbokstäver B:kärnkraft, Elementary Particle and High Energy Physics .

I april 2019, Event Horizon Telescope fick den första bilden någonsin av skuggan av ett supermassivt svart hål i mitten av M87-galaxen. För att få detta skott, astronomer var tvungna att kombinera åtta observatorier runt om i världen. Bilden har inte tillräcklig upplösning för att tydligt definiera geometrin i det centrala svarta hålet, men forskare hoppas kunna uppnå högre kvalitet i framtiden. Genom att bestämma formen på dess skugga kan astronomer testa olika versioner av gravitationsteorin och, eventuellt, hitta en "bro" som skulle kombinera kvantmekanik och den allmänna relativitetsteorin.

Roman Konoplya, docent vid Educational and Scientific Institute of Gravity and Cosmology vid RUDN University, undrade om hypotetisk mörk materia, som står för cirka 85 procent av all materia i universum, kan ha en synlig effekt på formen och radien för skuggan av ett svart hål-en mörk fläck som dyker upp på grund av krökning av fotons banor i ett sådant objekts superkraftiga gravitationsfält. Kosmologen erhöll en formel som gör det möjligt att bestämma förändringen i skuggans radie beroende på mängden mörk materia som omger den.

RUDN-kosmologen undersökte en enkel sfärisk modell av ett icke-roterande (Schwarzschild) svart hål omgivet av en gloria av mörk materia. Sedan utvecklade han en allmän formel för att mäta radien för skuggan av ett svart hål genom att överväga ekvationen för rymdmåttet för mörk materia.

Lösningarna för ekvationen beror på den relativa positionen för foton sfären och det spridda skalet av mörk materia - halogen. Fotonsfären är den minsta radien av fotonets bana runt ett svart hål. En foton i denna bana kan inte längre lämna hålets närhet men faller ännu inte in i den.

Det kan finnas tre alternativ för ett sådant inbördes rumsligt arrangemang. Det första är att mörk materia fördelas på ett sådant sätt att foton sfären ligger mellan skiktet av mörk materia och händelsehorisonten. I detta fall, storleken på skuggan av det svarta hålet skulle inte förändras för observatören, och vi kommer inte att kunna upptäcka närvaron av mörk materia genom skuggans form. Den andra - när halo av mörk materia är närmare händelsehorisonten än foton sfären - är omöjlig, eftersom all materia i detta område oundvikligen kommer att absorberas av det svarta hålet.

Det tredje alternativet är det mest intressanta:Fotonsfären är nedsänkt i en gloria av mörk materia. I detta fall, skuggans radie beror på densiteten av skiktet av mörk materia och dess massa:Ju mindre densitet och desto högre massa, desto större är skuggans radie. Dock, beräkningarna som utfördes av RUDN -kosmologen visade att för att förändringen i radien i skuggan av det svarta hålet ska vara märkbar för en yttre observatör, en onormalt hög koncentration av mörk materia runt det centrala svarta hålet krävs. Roman Konoplya drog slutsatsen att inflytande av mörk materia på skuggans radie sannolikt kommer att vara omärklig.

"För att deformera det svarta hålets geometri så mycket att det kommer att märkas av observationer av skuggan, mörk materia bör koncentreras nära det svarta hålet. I vår galax, det finns, enligt vissa uppskattningar, cirka 100 miljarder solmassor av mörk materia. Dock, man antar att mörk materia fördelas genom den galaktiska glorin och inte bara i dess centrum. Att påverka skuggan av ett svart hål, all denna enorma massa måste koncentreras till den centrala regionen, som upptar ungefär en miljonedel av sin totala volym, "Förklarade Roman Konoplya.

Det negativa resultatet, vilket innebär att moderna astronomer inte skulle kunna använda svarta hål som en "detektor" av mörk materia, är oerhört viktigt för astrofysiker som är engagerade i sökandet. Mörk materia är en hypotetisk form av materia, som utgör cirka 85 procent av universums materia och cirka 25 procent av dess densitet, med moderna uppskattningar. Mörk materia avger inte elektromagnetisk strålning, till skillnad från vanlig baryonisk materia, och interagerar inte direkt med det. Därför, trots alla ansträngningar, astronomer har fortfarande inte kunnat få direkta bevis på dess existens.

Men om en onormalt hög koncentration av mörk materia runt ett svart hål visar sig vara möjlig av någon anledning, astronomer måste överväga modeller som också tar hänsyn till effekterna av rotation av det svarta hålet och den mörka materien som omger det.