Symulacje przeprowadzone przez NASA sugerują, że cząstki ciemnej materii zderzające się w warunkach ekstremalnej grawitacji czarnej dziury mogą emitować silne, potencjalnie możliwe do zaobserwowania promieniowanie gamma. Jeśli udałoby się wykryć to promieniowanie, naukowcy zyskaliby nowe narzędzie do badania zarówno czarnych dziur jak i natury ciemnej materii. Nie wiemy, czym jest ciemna materia, ale wiemy, że za pomocą grawitacji wpływa na resztę wszechświata, a to oznacza, że musi się ona gromadzić wokół supermasywnych czarnych dziur. Czarna dziura nie tylko w sposób naturalny gromadzi ciemna materię, jej grawitacja zwiększa energię i liczbę kolizji, co może prowadzić do powstawania promieniowania gamma - mówi Jeremy Schnittman, astrofizyk z Goddard Space Flight Center.
Z artykułu opublikowanego w The Astrophysical Journal dowiadujemy się, że Schnittman prowadził badania, w czasie których symulował orbity setek milionów cząstek ciemnej materii w pobliżu czarnej dziury. Z symulacji wynika, że podczas niektórych zderzeń powstaję promieniowanie gamma o energii przekraczającej teoretycznie wyznaczone granice. Schnittman symulował WIMP (słabo oddziałujące masywne cząstki), gdyż to je uznaje się za najbardziej prawdopodobnych kandydatów na cząstki ciemnej materii. Podczas zderzenia dochodzi do anihilacji obu cząstek i pojawia się promieniowanie gamma. Takie kolizje są jednak niezwykle rzadkie. Od paru lat teoretycy uważają jednak, że w pobliżu czarnych dziur WIMP zyskują energię i zderzają się znacznie częściej niż zwykle.
Zderzenia mają miejsce poza horyzontem zdarzeń czarnej dziury, w spłaszczonym regionie zwanym ergosferą. Obracająca się czarna dziura powoduje, że wszystko, co jest w ergosferze, także czasoprzestrzeń, podąża niemal z prędkością światła w tym samym kierunku co ona. W ten sposób powstaje naturalne laboratorium, a istnieją w nich warunki, jakich na Ziemi nie jesteśmy w stanie uzyskać.
Ergosfera jest tym większa, im szybciej obraca się czarna dziura. A to oznacza, że wysokoenergetyczne zderzenia mają miejsce dalej od horyzontu zdarzeń, istnieje więc większe prawdopodobieństwo, promieniowanie gamma przezwycięży grawitację czarnej dziury i będziemy mogli je wykryć.
Autorzy dotychczas prowadzonych prac uznawali, że energia pojawiająca się podczas tego procesu jest o około 30% wyższa niż energia początkowa. A to oznaczało, że możemy nigdy nie zaobserwować tego procesu. Jednak autorzy badań opierali się na uproszczonych założeniach dotyczących miejsca, w którym może dochodzić do kolizji. Tutaj właśnie wkroczył Schnittman, którego model komputerowy wykazuje, że kolizje mogą mieć znacznie wyższe energie i zachodzić w znacznie większej odległości od czarnej dziury. Wynika z nich, że powstające w ich wyniku promieniowanie gamma może mieć nawet 14-krotnie większą energię niż zakładali jego poprzednicy.
„Symulacja to pokazuje nam, że istnieje interesujący z punktu widzenia astrofizyka sygnał, który możemy wykryć gdy w niedalekiej przyszłości udoskonalimy teleskopy pracujące z promieniowaniem gamma” - mówi Schnittman.
