Ενδείξεις ότι οι μαύρες τρύπες μπορούν να βοηθήσουν στη μελέτη της σκοτεινής ύλης, προέκυψαν από μία υπολογιστική προσομοίωση που δημιούργησε το Τμήμα Αστροφυσικής του Κέντρο Διαστημικών Πτήσεων Goddard της ΝΑΣΑ. Σύμφωνα με την προσομοίωση, τα σωματίδια σκοτεινής ύλης που συγκρούονται υπό την επίδραση του ισχυρού βαρυτικού πεδίου μιας μαύρης τρύπας παράγουν ακτίνες γ με χαρακτηριστική συχνότητα.
Ενδείξεις ότι οι μαύρες τρύπες μπορούν να βοηθήσουν στη μελέτη της σκοτεινής ύλης, προέκυψαν από μία υπολογιστική προσομοίωση που δημιούργησε το Τμήμα Αστροφυσικής του Κέντρο Διαστημικών Πτήσεων Goddard της ΝΑΣΑ. Σύμφωνα με την προσομοίωση, τα σωματίδια σκοτεινής ύλης που συγκρούονται υπό την επίδραση του ισχυρού βαρυτικού πεδίου μιας μαύρης τρύπας παράγουν ακτίνες γ με χαρακτηριστική συχνότητα.
Από την προσομοίωση προέκυψε επίσης πως οι ακτίνες θα μπορούσαν να καταγραφούν από τη «γειτονιά» της Γης. Επομένως, συγκεντρώνουν αρκετές πιθανότητες να αποτελέσουν ένα καινούριο πολύτιμο εργαλείο για την κατανόηση της σκοτεινής ύλης, η οποία αν και κατακλύζει το σύμπαν, παραμένει αίνιγμα για τους επιστήμονες.
«Παρόλο που δεν ξέρουμε τι ακριβώς είναι η σκοτεινή ύλη, γνωρίζουμε ότι αλληλεπιδρά με τις κοσμικές δομές μέσω της βαρύτητας, κάτι που σημαίνει ότι θα πρέπει να συσσωρεύεται γύρω από τις μαύρες τρύπες», αναφέρει στο δελτίο του Τμήματος της ΝΑΣΑ ο Τζέρεμι Σνίτμαν, αστροφυσικός στη διαστημική υπηρεσία και δημιουργός της προσομοίωσης.
«Λόγω της ισχυρής βαρυτικής έλξης, μια μαύρη τρύπα αυξάνει την ενέργεια και τον αριθμό των συγκρούσεων, που με τη σειρά τους φαίνεται πως παράγουν αξιοποιήσιμες ακτίνες γ».
Ο αστροφυσικός περιγράφει τα συμπεράσματα από την προσομοίωση σε πρόσφατο άρθρο του στο περιοδικό The Astrophysical Journal. Σε αυτό, αναφέρει πως η ακτινοβολία «δραπετεύει» με ενέργειες πολύ μεγαλύτερες από τις τιμές που εκτιμούνταν μέχρι σήμερα ως θεωρητικά τους όρια.
Η υπόθεση πίσω από το υπολογιστικό μοντέλο είναι πως η σκοτεινή ενέργεια αποτελείται από τα λεγόμενα WIMPs (Ασθενώς Αλληλεπιδρώντα Σωματίδια με Μάζα), τα οποία είναι από τους επικρατέστερους υποψήφιους για «συστατικά» της σκοτεινής ύλης.
Έτσι, όταν ένα WIMP συγκρούεται με ένα άλλο αντίστοιχο σωματίδιο, τότε εξαϋλώνονται και παράγεται ακτινοβολία γ. Αυτές οι συγκρούσεις είναι αρκετά σπάνιες, υπό κανονικές συνθήκες. Ωστόσο, τα τελευταία χρόνια ορισμένοι θεωρητικοί φυσικοί υποπτεύονται πως οι μαύρες τρύπες λειτουργούν σαν «συσσωρευτές» ύλης, ενισχύοντας τη συχνότητα του φαινομένου.
Η ιδέα είναι ουσιαστικά μία παραλλαγή του μηχανισμού Πένροουζ, που πρότεινε το 1969 ο Βρετανός φυσικός Ροτζερ Πένροουζ, υποστηρίζοντας πως από τις περιστρεφόμενες μαύρες τρύπες μπορεί να εκπεμφθεί ενέργεια, η οποία μάλιστα γίνεται μεγαλύτερη όσο μεγαλύτερη είναι η ταχύτητα περιστροφής.
Η διαδικασία λαμβάνει χώρα έξω από τον ορίζοντα γεγονότων της μαύρης τρύπας, δηλαδή το όριο της περιοχής από την οποία τίποτε δεν μπορεί να διαφύγει.
Ο χώρος δράσης της είναι η εργόσφαιρα, μια περιοχή όπου αν βρεθεί ένα σωματίδιο και διασπαστεί, τότε ένα τμήμα του θα «απορροφηθεί» από τη μαύρη τρύπα, ενώ το άλλο κομμάτι θα διαφύγει έχοντας νέα κινητική ενέργεια πολύ μεγαλύτερη της αρχικής. Μάλιστα, όσο πιο γρήγορα περιστρέφεται μια μαύρη τρύπα, τόσο πιο διευρυμένη είναι η εργόσφαιρά της.
Προηγούμενες μελέτες έδειχναν πως, στην περίπτωση των συγκρούσεων των WIMPs, η αύξηση της ενέργειας των παραγόμενων ακτίνων κυμαινόταν στο 30%, όπως και ότι ένα μικρό μόνο ποσοστό τους καταφέρνει να διαφύγει στο διάστημα. Η νέα όμως προσομοίωση αναπαριστά το φαινόμενο με μεγαλύτερη λεπτομέρεια, αφού για παράδειγμα μελετά τη συμπεριφορά εκατοντάδων εκατομμυρίων σωματιδίων, μέσα στην εργόσφαιρα μιας μαύρης τρύπας.
Επομένως, δείχνει πως ένα ποσοστό των ακτίνων γ αποκτά έως και 14πλάσια ενέργεια από αυτή των αρχικών σωματιδίων, ενώ παράγεται σε σημεία αυτής της στατικής περιοχής για τα οποία η πιθανότητα διαφυγής είναι μεγαλύτερη.
Όπως είναι φυσικό, η προσομοίωση θα πρέπει να επιβεβαιωθεί από πραγματικές παρατηρήσεις. «Αυτό που μας λέει το μοντέλο είναι πως υπάρχουν ενδιαφέροντα σήματα, τα οποία θα μπορούν να ανιχνευθούν στο άμεσο μέλλον, με την εξέλιξη των τηλεσκοπίων ακτίνων γ», συμπληρώνει ο ερευνητής.
«Το επόμενο βήμα είναι να δημιουργηθεί ένα δίκτυο από υπάρχοντα παρατηρητήρια, στο οποίο σύντομα θα συμπεριληφθούν και τηλεσκόπια που βρίσκονται ήδη στα σκαριά, με σκοπό να αναζητηθούν αυτά τα σήματα».