Гамма-лучи выходят из эргосферы черной дыры?
Компьютерное моделирование, проведенное специалистами НАСА, показывает, что частицы темной материи, сталкиваясь друг с другом в экстремальном гравитационном поле, могут производить сильное, теоретически наблюдаемое гамма-излучение.
Обнаружение этого излучения станет для астрономов новым шагом в понимании природы как черных дыр, так и темной материи — загадочного вещества, составляющего большую часть массы во Вселенной и не отражающего, не поглощающего и не излучающего свет. Астрономы до сих пор не знают, что такое темная материя, но они взаимодействуют с остальной Вселенной посредством гравитации, а это значит, что она должна собираться вокруг сверхмассивных черных дыр. Притяжение черной дыры увеличивает энергию и количество столкновений между частицами темной материи, что может привести к образованию излучения в самом высоком диапазоне энергий — гамма.
В исследовании, опубликованном в The Astrophysical Journal 23 июня этого года, Джереми Шнитман, астрофизик из Центра космических полетов имени Годдарда НАСА, проанализировал орбиты сотен миллионов частиц темной материи и смоделировал образование гамма-лучей во время их столкновений вблизи Земли. черная дыра, описывающая результаты компьютерного моделирования. Он обнаружил, что энергия убегания некоторых гамма-лучей значительно превышает то, что ранее считалось верхним теоретическим пределом.
В этом моделировании темная материя принимает форму слабо взаимодействующих массивных частиц (так называемых вимпов из «Слабо взаимодействующих массивных частиц»). В настоящее время темная материя считается вимпами. В этой модели вимпы сталкиваются друг с другом, аннигилируя друг друга, превращаясь в гамма-излучение, наиболее энергичную форму света. Эти столкновения в естественных условиях крайне редки. В последние несколько лет теоретики вернулись к рассмотрению черных дыр как центров скоплений темной материи, где вимпы могут быть сильно ускорены таким образом, что увеличивается как частота возникновения, так и энергия одиночного столкновения.
Идея представляет собой вариант процесса Пенроуза, впервые описанного в 1969 году британским астрофизиком сэром Роджером Пенроузом как механизм получения энергии от вращающейся черной дыры. Чем быстрее вращается черная дыра, тем больше прирост потенциальной энергии. Весь этот процесс происходит внутри горизонта событий черной дыры, границы, за которую ничто не может выйти, в области, называемой эргосферой. В нем вращение черной дыры растягивает пространство-время, заставляя все двигаться в одном направлении со скоростью, близкой к скорости света. Это создает естественную лабораторию, которую нельзя получить на Земле. Чем быстрее вращается черная дыра, тем больше ее эргосфера. Это позволяет высокоэнергетическим столкновениям происходить дальше горизонта событий и увеличивает вероятность
В более ранних исследованиях делались упрощенные предположения о том, где наиболее вероятно возникновение столкновения между вимпами. Отказ от этих предположений позволяет разработать более полные вычислительные модели (типа Монте-Карло), состоящие в отслеживании огромного количества частиц, которые собираются вблизи вращающейся черной дыры, взаимодействуя друг с другом или отслеживая местоположение и свойства сотен миллионов случайно распределенных частиц, которые сталкиваются и аннигилируют вблизи черной дыры. Новая модель показывает процессы, которые производят гамма-лучи с гораздо более высокими энергиями, что повышает вероятность их выхода и обнаружения, чем раньше.
Используя результаты этих расчетов, Шнитман создал симуляцию, показывающую всплеск гамма-излучения, наблюдаемый удаленным наблюдателем, смотрящим вдоль экватора черной дыры. Свет с самой высокой энергией появляется в центре области в форме полумесяца на стороне черной дыры, вращающейся к нам. Это область, где гамма-лучи имеют наилучшие шансы покинуть эргосферу и быть обнаруженными телескопами.
