Promienie gamma uciekają z ergosfery czarnej dziury?

Symulacje komputerowe wykonane przez specjalistów z NASA pokazują, że cząsteczki ciemnej materii zderzające się ze sobą w ekstremalnym polu grawitacyjnym mogą wytwarzać silne, teoretycznie możliwe do zaobserwowania promieniowanie gamma.

Wykrycie tej emisji będzie stanowić dla astronomów nowy krok do zrozumienia natury zarówno czarnych dziur jak i ciemnej materii - tajemniczej substancji, która stanowi większość masy Wszechświata, a która nie odbija, nie pochłania ani nie emituje światła. Astronomowie nadal nie wiedzą czym jest ciemna materia, wiedzą natomiast że oddziałuje ona z resztą Wszechświata poprzez grawitację, co oznacza że powinna się gromadzić wokół supermasywnych czarnych dziur. Przyciąganie czarnej dziury wzmacnia energię i ilość zderzeń pomiędzy cząsteczkami ciemnej materii, co może prowadzić do wytworzenia promieniowania w zakresie najwyższych energii - gamma.

W badaniach opublikowanych w "The Astrophysical Journal" 23 czerwca b.r. Jeremy Schnittman, astrofizyk z Goddard Space Flight Center NASA, opisując wyniki symulacji komputerowej przeanalizował orbity setek milionów cząsteczek ciemnej materii oraz zasymulował powstawanie promieni gamma w trakcie ich zderzeń w sąsiedztwie czarnej dziury. Odkrył, że energia ucieczki niektórych promieni gamma znacznie przewyższa tę, która była wcześniej postrzegana jako górne ograniczenie teoretyczne.

W symulacji tej ciemna materia przybiera formę słabo oddziałujących masywnych cząstek (tzw. WIMPów, od ang. "Weakly Interacting Massive Particles"). Obecnie uważa się, że ciemna materia to właśnie WIMPy. W tym modelu WIMPy zderzają się ze sobą, wzajemnie anihilując, zmieniając się w promieniowanie gamma, najbardziej energetyczną postać światła. Zderzenia te w naturalnych warunkach są niezwykle rzadkie. W ciągu ostatnich kilku lat teoretycy wrócili do traktowania czarnych dziur jako centrów skupisk ciemnej materii, gdzie WIMPy mogą być masowo rozpędzane w sposób zwiększający zarówno częstotliwość występowania jak i energię pojedynczej kolizji.

Pomysł jest odmianą procesu Penrose’a, po raz pierwszy zdefiniowanego w 1969 roku przez brytyjskiego astrofizyka Sir Rogera Penrose’a jako mechanizm pozwalający uzyskać energię z wirującej czarnej dziury. Im szybciej czarna dziura wiruje, tym większy jest potencjalny zysk energetyczny. Cały ten proces zachodzi wewnątrz horyzontu zdarzeń czarnej dziury, granicy spoza której nic nie może się wydostać, w regionie zwanym ergosferą. W niej rotacja czarnej dziury rozciąga czasoprzestrzeń zmuszając wszystko do poruszania się w jednym kierunku z prędkością bliską prędkości światła. Tworzy to naturalne laboratorium, niemożliwe do uzyskania na Ziemi. Im szybciej wiruje czarna dziura tym większa jej ergosfera. Pozwala to na zajście wysokoenergetycznych zderzeń dalej, niż horyzont zdarzeń i zwiększa szanse na to, że powstałe w ten sposób promieniowanie gamma będzie mogło uciec z czarnej dziury.

Wcześniejsze badania zawierały uproszczone założenia dotyczące tego, w którym miejscu najbardziej prawdopodobne jest zachodzenie kolizji między WIMPami. Rezygnacja z tych założeń pozwala na wypracowanie bardziej kompletnych modeli obliczeniowych (typu Monte Carlo) polegających na śledzeniu ogromnej liczby cząstek jakie zbierają się w pobliżu wirującej czarnej dziury, wzajemnie na siebie oddziałując czy poprzez śledzenie położenia i właściwości setek milionów losowo rozmieszczonych cząstek, które się zderzają i anihilują w pobliżu czarnej dziury. Nowy model ukazuje procesy, które wytwarzają promieniowanie gamma o dużo wyższych energiach dając prawdopodobieństwo ich ucieczki i detekcji większe niż do tej pory.

Korzystając z rezultatów tych obliczeń Schnittman stworzył symulację ukazującą błysk promieniowania gamma widziany przez odległego obserwatora patrzącego wzdłuż równika czarnej dziury. Światło o najwyższej energii pojawia się w centrum regionu w kształcie półksiężyca po stronie czarnej dziury wirującej w naszym kierunku. Jest to rejon, gdzie promieniowanie gamma ma największą szansę na wydostanie się z ergosfery i bycie wykrytym przez teleskopy.