Черные дыры как детекторы темной материи!⁠⁠

Согласно новому исследованию, опубликованному в Physical Review Letters, тени сверхмассивных черных дыр, запечатленные телескопом Event Horizon Telescope (EHT), могут служить сверхчувствительными инструментами для поиска темной материи. Темная материя составляет около 85% вещества Вселенной, но ее природа остается загадкой. Изображения черных дыр предлагают новый метод обнаружения, превосходящий традиционные подходы благодаря экстремальным условиям гравитации.

EHT — глобальная сеть радиообсерваторий, работающая на частоте 230 ГГц, — захватывает синхротронное излучение от электронов в аккреционных дисках вокруг черных дыр, таких как M87* и Стрелец A*. Модель диска с магнитной задержкой (MAD) лучше всего объясняет наблюдения: сильные магнитные поля регулируют поток вещества и энергетические струи, создавая темные тени из-за разреженных частиц в областях струй.

Исследователи (включая Шу и Чена) моделировали аннигиляцию темной материи с использованием общего релятивистского магнитогидродинамического моделирования (GRMHD). Гравитация черных дыр концентрирует темную материю в "всплесках", где аннигиляция может генерировать электроны и позитроны. Эти частицы излучают синхротронный свет, отличающийся от астрофизического фона: он равномерно распределяется даже в тенях, в отличие от концентрации в дисках.

Команда рассмотрела сценарии аннигиляции (кварк-антикварк и электрон-позитронные пары) для масс темной материи от гигаэлектронвольт до 10 тераэлектронвольт. Синтетические изображения показали, что сигналы темной материи должны оставаться ниже фона, особенно в тенях. Это установило ограничения на сечения аннигиляции до 10^{-27} см³/с, исключая области параметров и превосходя предыдущие поиски.

Подход устойчив к астрофизическим неопределенностям, таким как вращение черных дыр. Будущие улучшения EHT — увеличение динамического диапазона в 100 раз и разрешение до одного гравитационного радиуса — позволят обнаруживать сигналы, близкие к тепловой реликтовой энергии. Поляризационные и многочастотные наблюдения добавят точности, различая источники излучения.

"Тень черной дыры — динамичная лаборатория, — отметил Шу. — Она объединяет физику частиц, гравитацию и астрофизику". Это исследование открывает путь к разгадке тайны темной материи через экстремальные объекты Вселенной.