Een natuurkundige van de RUDN University heeft een formule ontwikkeld om het effect van donkere materie op de grootte van de schaduw van een zwart gat te evalueren. Het bleek dat het effect alleen merkbaar zou zijn als de concentratie van deze hypothetische vorm van materie rond zwarte gaten in de centra van sterrenstelsels abnormaal hoog is. Als dit niet het geval is, dan is het onwaarschijnlijk dat donkere materie kan worden gedetecteerd met behulp van de schaduw van een zwart gat. Het werk is gepubliceerd in het tijdschrift Natuurkunde Letters B:Nucleair, Elementaire deeltjes- en hoge-energiefysica .

In april 2019, de Event Horizon Telescope ontving de allereerste opname van de schaduw van een superzwaar zwart gat in het centrum van het M87-sterrenstelsel. Om dit schot te krijgen, astronomen moesten acht observatoria over de hele wereld combineren. Het beeld heeft niet voldoende resolutie om de geometrie van het centrale zwarte gat duidelijk te definiëren, maar onderzoekers hopen in de toekomst een hogere kwaliteit te bereiken. Door de vorm van zijn schaduw te bepalen, kunnen astronomen verschillende versies van de zwaartekrachttheorie testen en, mogelijk, een "brug" vinden die de kwantummechanica en de algemene relativiteitstheorie zou combineren.

Romeinse Konoplya, een universitair hoofddocent van het Educatief en Wetenschappelijk Instituut voor Zwaartekracht en Kosmologie van de RUDN Universiteit, vroeg zich af of hypothetische donkere materie, die goed is voor ongeveer 85 procent van alle materie in het universum, kan een zichtbaar effect hebben op de vorm en straal van de schaduw van een zwart gat - een donkere vlek die verschijnt als gevolg van de kromming van de banen van fotonen in het superkrachtige zwaartekrachtveld van zo'n object. De kosmoloog kwam tot een formule die het mogelijk maakt om de verandering in de straal van de schaduw te bepalen, afhankelijk van de hoeveelheid donkere materie eromheen.

De RUDN-kosmoloog onderzocht een eenvoudig bolvormig model van een niet-roterend (Schwarzschild) zwart gat omgeven door een halo van donkere materie. Vervolgens ontwikkelde hij een algemene formule voor het meten van de straal van de schaduw van een zwart gat door de vergelijking van de ruimtemetriek voor het geval van donkere materie te beschouwen.

De oplossingen van de vergelijking hangen af ​​van de relatieve positie van de fotonbol en de verstrooide schil van donkere materie - de halo. De fotonbol is de kleinste straal van de baan van het foton rond een zwart gat. Een foton in deze baan kan de omgeving van het gat niet meer verlaten maar valt er nog niet in.

Er zijn drie opties voor een dergelijke onderlinge ruimtelijke ordening. De eerste is dat donkere materie zo verdeeld is dat de fotonenbol tussen de laag donkere materie en de waarnemingshorizon ligt. In dit geval, de grootte van de schaduw van het zwarte gat zou voor de waarnemer niet veranderen, en we zullen de aanwezigheid van donkere materie niet kunnen detecteren door de vorm van de schaduw. De tweede - wanneer de halo van donkere materie dichter bij de waarnemingshorizon is dan de fotonbol - is onmogelijk, aangezien alle materie in dit gebied onvermijdelijk wordt geabsorbeerd door het zwarte gat.

De derde optie is de meest interessante:de fotonenbol wordt ondergedompeld in een halo van donkere materie. In dit geval, de straal van de schaduw zou afhangen van de dichtheid van de laag donkere materie en van zijn massa:hoe kleiner de dichtheid en hoe hoger de massa, hoe groter de straal van de schaduw. Echter, de berekeningen van de RUDN-kosmoloog toonden aan dat om de verandering in de straal van de schaduw van het zwarte gat waarneembaar te maken voor een externe waarnemer, een abnormaal hoge concentratie donkere materie rond het centrale zwarte gat is vereist. Roman Konoplya concludeerde dat de invloed van donkere materie op de straal van de schaduw waarschijnlijk niet waarneembaar is.

"Om de geometrie van het zwarte gat zo sterk te vervormen dat het merkbaar zal zijn door waarnemingen van de schaduw, donkere materie moet worden geconcentreerd in de buurt van het zwarte gat. In onze melkweg, er zijn, volgens sommige schattingen, ongeveer 100 miljard zonnemassa's donkere materie. Echter, er wordt aangenomen dat donkere materie door de galactische halo is verdeeld en niet alleen in het centrum ervan. Om de schaduw van een zwart gat te beïnvloeden, al deze enorme massa moet worden geconcentreerd in het centrale gebied, die ongeveer een miljoenste van zijn totale volume inneemt, " legde Roman Konoplya uit.

Het negatieve resultaat, wat betekent dat moderne astronomen geen zwarte gaten zouden kunnen gebruiken als een "detector" van donkere materie, is uiterst belangrijk voor astrofysici die zich bezighouden met zijn zoektocht. Donkere materie is een hypothetische vorm van materie, die ongeveer 85 procent van de materie van het universum uitmaakt en ongeveer 25 procent van zijn dichtheid, volgens moderne schattingen. Donkere materie zendt geen elektromagnetische straling uit, in tegenstelling tot gewone baryonische materie, en heeft er geen directe interactie mee. Daarom, ondanks alle inspanningen, astronomen hebben nog steeds geen direct bewijs van het bestaan ​​ervan kunnen verkrijgen.

Maar als een abnormaal hoge concentratie donkere materie rond een zwart gat om de een of andere reden mogelijk blijkt te zijn, astronomen zullen modellen moeten overwegen die ook rekening houden met de effecten van de rotatie van het zwarte gat en de donkere materie eromheen.