Эхо света показывает, что темная материя может собираться вокруг сверхмассивных черных дыр

Мы знаем, что темная материя существует. Это всего лишь временный термин для чего-то, что мы не понимаем, некой призрачной массы, которая объясняет, как галактики вращаются так быстро, не разлетаясь на части.

Фриц Цвикки ввел термин "темная материя" в значительной степени на основе своих наблюдений за галактиками в кластере Кома. Цвикки обнаружил, что галактики движутся быстро. После того как он вычислил массы этих галактик на основе всех их звезд и пыли, он понял, что их массы недостаточно для того, чтобы удерживать их в кластере. Они должны разлететься, и кластер должен распасться.

Но они не разлетаются, и Цвикки сказал, что должна присутствовать какая-то невидимая масса, чтобы это объяснить, и он назвал её темной материей. Эта идея не была широко принята в то время и оставалась любопытством на протяжении десятилетий.

Затем в 1970-х годах Вера Рубин и Кент Форд исследовали отдельные спиральные галактики и измеряли, как быстро их звезды движутся вокруг галактического центра. Звезды, находящиеся дальше от центра, должны двигаться медленнее, чем те, что ближе к центру, потому что больше массы сосредоточено в центре. Но это не то, что они обнаружили. Они выяснили, что скорость вращения звезд была удивительно постоянной, независимо от того, насколько далеко они находились от центра. Это означает, что внешние звезды также движутся быстро, так быстро, что они должны улететь в межгалактическое пространство. Галактики должны разорваться.

Это стало известно как проблема вращения галактик.

Работа Рубин и Форда оказала значительное влияние. Только больше массы могло бы решить проблему вращения галактик, и идея темной материи стала широко принята. Это был новый тип небарионной материи, который не взаимодействует со светом. Это не очень хорошее описание, и точная природа темной материи до сих пор остается загадкой. Работа Рубин подтвердила существование темной материи, и люди все еще работают над этим, все еще обсуждая идеи о её природе.

Хотя темную материю можно обнаружить только по её гравитационному воздействию на нормальную массу, такую как звезды и газ, (и по искривлению пространства-времени в гравитационном линзировании), это воздействие можно обнаружить и измерить. Мы знаем о темных материковых гало вокруг галактик с 1970-х годов. Это невидимые сферы, которые приводят к образованию галактик, как невидимые строительные леса. Мы также знаем, что темная материя является структурным каркасом для крупномасштабной структуры Вселенной.

Но теперь есть доказательства того, что темная материя также собирается вокруг сверхмассивных черных дыр (СМЧД). Это новое исследование в журнале Physical Review D под названием "Новый метод для отслеживания профиля плотности темной материи вокруг сверхмассивных черных дыр с использованием реверберационного картирования". Главный автор — Маянк Шарма, аспирант физики в Вирджиния Тек.

СМЧД — это плотности, которые искажают само пространство-время. Газ и пыль падают к ним, образуя нагретый, вращающийся аккреционный диск. Мы можем видеть это происходящим благодаря ярким вспышкам, которые возникают от нагретого материала, часть из которого уходит за пределы горизонта событий. Эти вспышки путешествуют по Вселенной, иногда достигая нас через миллиарды лет.

В этой работе Шарма и его коллеги показывают, что наряду со всей обычной материей, которая притягивается к СМЧД, создавая древние, далекие световые шоу, темная материя тоже будет присутствовать.

Они использовали технику, называемую "реверберационным картированием", чтобы измерить, сколько темной материи находится рядом с СМЧД в других галактиках. "Мы предлагаем новый метод для определения профиля плотности темной материи в окрестностях далеких сверхмассивных черных дыр (СМЧД) с использованием измерений реверберационного картирования (РК) активных галактических ядер (АГЯ)", — пишут авторы. "Картирование нескольких эмиссионных линий позволяет измерить заключенную массу в разных радиусах от центральной СМЧД, что может быть использовано для вывода или ограничения профиля плотности темной материи на субпарсековых масштабах."

Свет от АГЯ приходит в двух отдельных импульсах. Первый — непосредственно от нагретого материала в аккреционном диске. Второй приходит, когда этот первоначальный импульс сталкивается с окружающей межзвездной средой (ISM). Этот материал затем повторно излучает свет, как эхо звука.

Астрономы могут обнаружить первый импульс, а затем второй через мгновение. Свет движется с постоянной скоростью, поэтому задержка между двумя импульсами говорит им, как далеко от СМЧД находится газ. Основываясь на соотношении между скоростью света, расстоянием и массой, они смогли измерить количество темной материи рядом с СМЧД. Они сделали это для 14 галактик.

"Эти галактики определенно показывают намек на то, что есть дополнительный материал, который нельзя объяснить только сверхмассивной черной дырой", — сказал главный автор Шарма в пресс-релизе.

На данный момент эти результаты являются лишь намеком на то, что темная материя собирается рядом с СМЧД. "Мы обнаруживаем, что для пяти объектов наблюдаемая заключенная масса действительно увеличивается с радиусами, намекая на наличие компонента темной материи на уровне 1-2σ", — пишут авторы. Исследователи утверждают, что это доказательство "универсального профиля темной материи". Но они также указывают на то, что это лишь слабые или умеренные статистические доказательства наличия некоторого количества темной материи близко к пяти СМЧД.

"Однако мы подчеркиваем, что большинство источников в нашей выборке не показывают предпочтение модели с увеличением массы по сравнению с моделью постоянной массы", — пишут авторы.

Исследователи также говорят, что, несмотря на слабые или умеренные доказательства, которые предоставляет их исследование, используемый ими метод может оказаться более плодотворным в будущем. "Наша работа устанавливает первую связь между наблюдательной техникой РК и теоретической основой всплесков темной материи, обе из которых направлены на изучение одних и тех же пространственных масштабов в экстрагалактических СМЧД", — объясняют они.

Нахождение большего количества темной материи рядом с СМЧД не меняет космологию. Это не меняет, сколько темной материи существует во Вселенной, и не поддерживает и не опровергает фреймворк Лямбда-CDM. Это просто меняет, как темная материя распределена во Вселенной. Темная материя в этих галактиках уже учтена в гало, эти результаты просто показывают, что большее количество может быть сосредоточено вокруг СМЧД галактики.

Но если эти всплески темной материи реальны, это превращает СМЧД в своего рода лабораторию темной материи. Это еще одно место или ситуация, где физики могут её изучать. Эти результаты могут быть полезны для моделей роста СМЧД или даже для обнаружения частиц темной материи.