Астрофизики нашли новый способ «нащупать» самую неуловимую субстанцию во Вселенной. Оказалось, что темная материя не падает в черные дыры так же легко, как обычный газ. Вместо этого она скапливается вокруг них в виде невидимого, но невероятно тяжелого облака. Взвесить эти призрачные структуры помог метод реверберационного картирования — детальный анализ светового эха от далеких галактик.
Мы до сих пор не знаем, из каких частиц состоит темная материя, но именно ее гравитация удерживает галактики от распада. При этом на долю невидимого вещества приходится около 85% всей массы Вселенной. Однако до недавнего времени оставалось загадкой, как темная материя ведет себя в самых экстремальных местах космоса — на окраинах сверхмассивных черных дыр.
Поддержать нас на Boosty
Поддержать нас на Дзен
Когда обычное вещество (пыль, газ и плазма) притягивается черной дырой, оно образует бурный аккреционный диск. Частицы толкаются, трутся друг о друга, нагреваются до миллионов градусов и стремительно теряют кинетическую энергию. Именно благодаря этому банальному трению обычная материя постепенно замедляется и по спирали соскальзывает за горизонт событий.
Но темная материя так не умеет. Будучи эдаким космическим интровертом, она не испытывает трения и никак не взаимодействует ни с самой собой, ни с лучами света. Все, что она чувствует, — это гравитация. Поскольку у темной материи нет механизма для сброса энергии орбитального движения, она физически не может быстро упасть в черную дыру. Теоретики давно подозревали, что из-за этого парадокса невидимое вещество должно собираться вокруг черных дыр, образуя сверхплотный ореол — нечто вроде густого клубящегося черного дыма.
Проблема заключалась в том, что увидеть это гало напрямую невозможно. Даже знаменитый Телескоп горизонта событий (EHT), фотографирующий тени черных дыр, здесь бессилен.
Команда астрофизиков из Политехнического университета Виргинии решила использовать изящный обходной маневр. Исследователи под руководством Маянка Шармы (Mayank Sharma) и профессора Нахума Арава (Nahum Arav) применили астрофизический метод под названием реверберационное картирование (или «эхо-картирование»).
Работает этот природный радар следующим образом:
- Во время поглощения материи ядро галактики (в центре которого сидит черная дыра) периодически выдает мощные вспышки излучения.
- Этот свет летит наружу и сталкивается с далекими облаками газа, которые вращаются вокруг черной дыры на ее окраинах.
- Газ поглощает этот импульс и спустя некоторое время сам начинает светиться — возникает световое эхо.
- Поскольку скорость света неизменна, засекая задержку между первоначальной вспышкой и приходом эха, ученые могут с ювелирной точностью вычислить расстояние до этих газовых облаков.
- Дополнительно изучив спектр светового эха, астрономы узнают скорость вращения газа.
Имея радиус орбиты и скорость газа, по законам небесной механики можно легко вычислить массу всего, что находится внутри этой орбиты.
Ученые проанализировали данные эхо-картирования активных ядер 14 далеких галактик. Результаты, опубликованные в авторитетном журнале Physical Review D, оказались весьма интригующими:
- В 5 из 14 изученных галактик скорость вращения внешнего газа оказалась аномально высокой.
- По мере удаления от центра расчетная масса внутри орбит росла гораздо быстрее, чем это могла бы объяснить гравитация самой черной дыры и видимого светящегося диска.
- Единственное логичное объяснение: между ядром и внешним газом находится огромная масса невидимого вещества, которая и разгоняет газ.
«Мы приближаемся к моменту, когда наблюдательные доказательства существования темной материи станет просто невозможно отрицать», — прокомментировал результаты Маянк Шарма. По его словам, то, что мы видим, идеально укладывается в теорию, согласно которой темная материя формирует плотные сгустки вокруг сверхмассивных черных дыр.
Его соавтор, физик Нахум Арав, добавляет: «Налицо огромная диспропорция. Того видимого вещества, что мы наблюдаем, намного меньше того, что требуется для объяснения такой динамики».
Хотя авторы статьи весьма осторожны и называют свою работу «проверкой концепции» (всё-таки выборка пока невелика), это исследование открывает новую главу в астрофизике.
Ранее темную материю в основном фиксировали на масштабах целых галактик или колоссальных скоплений. Теперь же у ученых появился рабочий инструмент для измерения концентрации невидимого вещества в самых суровых и компактных локациях Вселенной — прямо на пороге черных дыр. Дальнейшие наблюдения с помощью новых космических телескопов позволят собрать больше статистики и, возможно, помогут физикам окончательно разгадать природу темной материи, ограничив параметры существующих теоретических моделей.
FAQ: Часто задаваемые вопросы
- Что такое световое эхо черной дыры?
Это явление, при котором свет от вспышки вблизи черной дыры летит наружу и подсвечивает удаленные газовые облака с задержкой по времени. Это позволяет астрономам точно измерить расстояние до газа. - Почему темная материя просто не упадет за горизонт событий?
Для того чтобы упасть, вещество должно сбросить энергию, например, за счет трения в плотном аккреционном диске. Темная материя не вступает в электромагнитное взаимодействие и не испытывает трения, поэтому она просто «зависает» на орбите черной дыры, скапливаясь в гигантское облако. - Как ученые поняли, что там есть темная материя?
Скорость вращения газовых облаков вокруг черных дыр оказалась слишком высокой. Видимой массы черной дыры и аккреционного диска просто недостаточно, чтобы удерживать газ на таких скоростях — разницу обеспечивает гравитация невидимого гало из темной материи.
Источники:
- Исследование: Novel method to trace the dark matter density profile around supermassive black holes with AGN reverberation mapping (Mayank Sharma, Gonzalo Herrera, Nahum Arav, Shunsaku Horiuchi).
Поддержать нас на Boosty
Поддержать нас на Дзен
Читайте также: Может ли тёмная материя состоять из чёрных дыр из другой вселенной?