Naujas NASA mokslininkų kompiuterinis modeliavimas parodė, kad tamsiosios materijos dalelės, susidurdamos galingame juodųjų bedugnių gravitaciniame lauke, gali išskirti galingus, galimai pastebimus gama spindulius. Šių spindulių pastebėjimas mokslininkams sutektų naujų galimybių suprasti ir juodųjų bedugnių, ir tamsiosios materijos – paslaptingos medžiagos, kuri sudaro didžiąją dalį galaktikų masės – prigimtį.
Naujas NASA mokslininkų kompiuterinis modeliavimas parodė, kad tamsiosios materijos dalelės, susidurdamos galingame juodųjų bedugnių gravitaciniame lauke, gali išskirti galingus, galimai pastebimus gama spindulius. Šių spindulių pastebėjimas mokslininkams sutektų naujų galimybių suprasti ir juodųjų bedugnių, ir tamsiosios materijos – paslaptingos medžiagos, kuri sudaro didžiąją dalį galaktikų masės – prigimtį, rašo dailygalaxy.com.
„Nors kol kas nežinome, kas yra tamsioji materija, žinome, kad ji sąveikauja su Visata per gravitacijos jėgą, kas reiškia, kad ji turėtų dideliais kiekiais kauptis apie supermasyvias juodąsias bedugnes. Juodoji bedugnė ne tik natūraliai koncentruoja tamsiosios medžiagos daleles – jos gravitacinė jėga sustiprina jų energiją ir padidina skaičių susidūrimų, kurių metu sukuriami gama spinduliai“, – sakė NASA Goddardo kosminių skrydžių centro astrofizikas Jeremy Schnittmanas.
Mokslinio darbo ataskaitoje, kuri birželio 23 d. publikuota recenzuojamame žurnale „The Astrophysical Journal“, J. Schnittmanas aprašė jo sukurtų kompiuterinių modeliavimų rezultatus. Mokslininko modelio paskirtis buvo analizuoti šimtų milijonų tamsiosios materijos dalelių orbitas ir gama spindulius, išmetamus šioms dalelėms susidūrus ties juodosiomis bedugnėmis. Mokslininkas nustatė, kad kai kuriems gama spinduliams pavyko ištrūkti iš juodosios bedugnės gravitacijos lauko su tokia energija, kuri gerokai viršijo ankstesnes teorines ribas.
Jo modeliavime tamsioji materija įvardijama kaip Silpnai sąveikaujančios masyvios dalelės WIMPai (Weakly Interacting Massive Particles). Fizikų pasaulyje tai yra šiuo metu populiariausias kandidatas paaiškinimui, kas yra tamsioji materija. J. Schnittmano modelyje WIMPai, susiduriantys su kitais WIMPais, anihiliuojasi ir tampa gama spinduliais – daugiausiai energijos turinčia elektromagnetinių bangų forma. Tačiau įprastomis sąlygomis tokie susidūrimai yra be galo reti.
Žemiau pateiktas vaizdas parodo gama spindulių signalą, gauta iš tamsiosios materijos dalelių anihiliavimosi. Kuo spalva šviesesnė, tuo energija didesnė. Aukščiausios energijos spinduliai sklinda iš juodosios bedugnės kairiojo šono, arti jos įvykių horizonto (su sąlyga, kad žiūrime į juodąją bedugnę, besisukančią prieš laikrodžio rodyklę, statmenai jos pusiaujo plokštumai). Daugiausiai galimybių ištrūkti iš juodosios bedugnės gravitacijos gniaužtų turi spinduliai, kuriuos bedugnė įsuka ir paleidžia į mūsų pusę.
Teoriškai taip turėtų atrodyti gama spindulių švytėjimas ties juodąja bedugne (jeigu žiūrėtume į pusiaują, o bedugnė suktųsi prieš laikrodžio rodyklę)
Per kelis pastaruosius metus fizikai teoretikai pradėjo juodąsias bedugnes vertinti kaip tamsiosios materijos koncentratorius, ties kuriais WIMPai gali susikaupti taip tankiai, kad išauga jų susidūrimų dažnumas ir energija. Ši koncepcija yra Penrose'oo proceso variantas. 1969 metais britų astrofizikas seras Rogeris Penrose'as sugalvojo mechanizmą išgauti energiją iš besisukančios juodosios bedugnės. Kuo greičiau bedugnė sukasi, tuo daugiau galima išgauti energijos.
Pastarojo proceso metu visas veiksmas vyksta juodosios bedugnės įvykių horizonto išorėje. Įvykių horizontas – tai riba, kurią kirtus ištrūkti nebegali niekas, net šviesa. Įvykių horizonto sfera vadinama ergosfera. Ergosferos viduje juodosios bedugnės sukimasis paskui save suka ir erdvėlaikį, joje viskas sukasi greičiu, artimu šviesos greičiui. Tokias bedugnes galima pavadinti natūraliomis laboratorijomis kurioms ekstremalumu negali prilygti niekas Žemėje.
Kuo greičiau sukasi bedugnė, tuo didesnė būna jos ergosfera, o tai reiškia, kad didesnės energijos susidūrimai įmanomi ir toliau nuo įvykių horizonto. Ir tai savo ruožtu padidina tikimybę, kad gama spinduliai, susidarę ergosferoje, iš jos ištrūks.
„Ankstesniais darbais parodyta, kad Penrose'o proceso susidūriminės versijos maksimali energijos išeiga yra tik 30 kartų didesnė už pradinę“, – sakė J. Schnittmanas. Be to, iš ergosferos pavyksta ištrūkti tik nedidelei daliai aukštos energijos gama spindulių. Tai reiškė, kad įprastinio Penrose'o proceso, vykstančio supermasyvioje juodojoje bedugnėje, požymių iš išorės niekada nepavyktų pastebėti.
Tačiau ankstesniuose tyrimuose buvo taikomos supaprastintos prielaidos apie tai, kur labiausiai tikėtinas aukščiausios energijos susidūrimų įvykimas. Remiantis šiais pirminiais darbais buvo įmanoma sukurti pilnesnį skaičiuojamąjį modelį, kuriame būtų modeliuojamas didelis kiekis dalelių, pritrauktų juodosios bedugnės gravitacijos ir sąveikaujančių tarpusavyje.
Būtent tai ir rado J. Schnittmano modelis. Jame stebimos šimtų milijonų atsitiktinai išmėtytų dalelių pozicijos ir savybės, jų susidūrimai juodosios bedugnės kaimynystėje. Naujasis modelis atskleidžia procesus, kurių metu susidaro gama spinduliai, kurių energija yra kur kas aukštesnė ir ištrūkimo iš ergosferos tikimybė gerokai didesnė nei manyta iki šiol. Mokslininkas aptiko ir iki šiol nežinotų galimybių vykti susidūrimams, dėl kurių įvykstančios anihiliacijos metu išmetami gama spinduliai, kurių maksimali energija yra net 14 kartų aukštesnė nei buvo numatyta pradinėje Penrose'o teorijoje.
Pritaikius naujųjų skaičiavimų rezultatus, J. Schnittmanas sukūrė gama spindulių švytėjimo vaizdą, kokį jį matytų iš didelio atstumo į juodosios bedugnės pusiaują žiūrintis stebėtojas. Aukščiausios energijos švytėjimas matomas iš jaunatį primenančio regiono tame juodosios bedugnės krašte, kuris sukasi į stebėtojo pusę. Tai yra tas regionas, kur gama spinduliai turi daugiausiai galimybių ištrūkti iš ergosferos ir pasiekti teleskopo jutiklį.
J. Schnittmanas tikisi, kad jo tyrimas nuves keliu, kurio pabaigoje bus nepaneigiamas tamsiosios medžiagos dalelių susidūrimo ir anihiliacijos signalo, sklindančio nuo supermasyvios juodosios bedugnės, užfiksavimas.
„Modelis mums parodo, kad egzistuoja astrofizikiniu požiūriu įdomus signalas, kurį galėtume užfiksuoti ir ne tokioje jau tolimoje ateityje patobulėjus gama spindulių teleskopams. Kitas tyrimo žingsnis – sukurti teorinę struktūrą, kurioje dabartiniai ir prognozuojami gama spindulių stebėjimai gali būti panaudoti koreguojant ir dalelių fiziką, ir juodųjų bedugnių modelius“, – svarstė fizikas.
