«В то время как мы еще не знаем, какова темная материя, мы действительно знаем, что она взаимодействует с остальной частью вселенной через силу тяжести, что означает, что она должна накопиться вокруг суперкрупных черных дыр», сказал Джереми Шниттмен, астрофизик в Центре космических полетов имени Годдарда НАСА в Гринбелте, Мэриленд. «Черная дыра не только естественно концентрирует частицы темной материи, ее гравитационная сила усиливает энергию и количество столкновений, которые могут произвести гамма-лучи».В исследовании, опубликованном в Астрофизическом Журнале 23 июня, Шниттмен описывает результаты компьютерного моделирования, которое он развивал, чтобы следовать за орбитами сотен миллионов частиц темной материи, а также гамма-лучами, произведенными, когда они сталкиваются около черной дыры. Он нашел, что некоторые гамма-лучи избежали с энергиями, далеко превышающими, что ранее рассматривалось как теоретические пределы.
В моделировании темная материя принимает форму Слабо Взаимодействующих Значительных Частиц или МЕЩАН, теперь широко рассматриваемых как ведущий кандидат того, какова темная материя могла быть. В этой модели МЕЩАНЕ, которые врезались в других МЕЩАН взаимно, уничтожают и преобразовывают в гамма-лучи, самую энергичную форму света. Но эти столкновения чрезвычайно редки при нормальных обстоятельствах.За последние несколько лет теоретики обратились к черным дырам как концентраторы темной материи, где МЕЩАНЕ могут быть спрессованы способом, который увеличивает и уровень и энергии столкновений.
Понятие – вариант процесса Пенроуза, сначала определенного в 1969 британским астрофизиком сэром Роджером Пенроузом как механизм для извлечения энергии от вращающейся черной дыры. Чем быстрее это вращается, тем больше выгода потенциальной энергии.В этом процессе все действие происходит вне горизонта черной дыры событий, границы, вне которой ничто не может убежать в сглаженном регионе, названном ergosphere. В ergosphere вращение черной дыры тянет пространство-время наряду с ним, и все вынуждено переместиться в том же самом направлении в почти скорость света.
Это создает естественную лабораторию, более чрезвычайную, чем кто-либо возможный на Земле.Чем быстрее вращения черной дыры, тем больше ее ergosphere становится, который позволяет высокоэнергетические столкновения далее от горизонта событий. Это улучшает возможности, что любые произведенные гамма-лучи избегут черной дыры.
«Предыдущая работа указала, что максимальная энергия продукции от collisional версии процесса Пенроуза была только приблизительно на 30 процентов выше, чем, с чего Вы начинаете», сказал Шниттмен. Кроме того, только небольшой части высокоэнергетических гамма-лучей удалось избежать ergosphere. Эти результаты предположили, что явное доказательство процесса Пенроуза никогда не могло бы замечаться по суперкрупной черной дыре.Но более ранние исследования включали упрощение предположений о том, где столкновения самой высокой энергии, скорее всего, произойдут.
Перемещение вне этой начальной работы означало разрабатывать более полную вычислительную модель, та, которая отследила большие количества частиц, когда они собрались около вращающейся черной дыры и взаимодействовали между собой.Компьютерное моделирование Шниттмена делает просто это. Отслеживая положения и свойства сотен миллионов беспорядочно распределенных частиц, как они сталкиваются и уничтожают друг друга около черной дыры, новая модель показывает процессы, которые производят гамма-лучи с намного более высокими энергиями, а также лучшей вероятностью спасения и обнаружения, чем когда-либо думал возможный. Он определил ранее непризнанные пути, где столкновения производят гамма-лучи с пиковой энергией в 14 раз выше, чем та из оригинальных частиц.
Используя результаты этого нового вычисления, Шниттмен создал моделируемое изображение жара гамма-луча, как замечено отдаленным наблюдателем, смотрящим вдоль экватора черной дыры. Свет самой высокой энергии является результатом центра региона, имеющего форму полумесяца на стороне черной дыры, вращающейся к нам.
Это – регион, где у гамма-лучей есть самый большой шанс перехода из ergosphere и быть обнаруженным телескопом.Исследование – начало поездки, надежды Шниттмена однажды достигнут высшей точки с неопровержимым обнаружением сигнала уничтожения от темной материи вокруг суперкрупной черной дыры.
«Моделирование говорит нам, что есть астрофизически интересный сигнал, у нас есть потенциал обнаружения в не слишком отдаленном будущем, когда телескопы гамма-луча улучшаются», сказал Шниттмен. «Следующий шаг должен создать структуру, где существующие и будущие наблюдения гамма-луча могут использоваться, чтобы точно настроить и физику элементарных частиц и наши модели черных дыр».