Az Eseményhorizont Távcső (EHT) fekete lyukakról készült felvételein látható sötét térségek a cikk szerzői szerint használhatók rendkívül érzékeny detektorokként is az Univerzum tömegét nagy részben kitevő anyag kimutatására. A szakcikket a Physical Review Letters című szaklap tette közzé.
Az Univerzumot alkotó normál anyag nagyjából 85%-át teszi ki a sötét anyag, amelynek természete még mindig rejtély a számunkra. A kutatók már számos módszert kidolgoztak a detektálására, az új kutatások szerint pedig a fekete lyukakat is használhatnánk érzékelőként, és ez a módszer más előnyökkel is járna.
„Mindig lenyűgöztek az olyan műszerek, mint az Eseményhorizont Távcső, amely lehetővé teszi, hogy megvizsgáljuk a szupernagy tömegű fekete lyukak körüli extrém környezeteket, amelyekben leomlani látszanak az ismert fizika határai.” - mondta Jing Shu (Pekingi Egyetem), a tanulmány egyik szerzője.
“Kiváló ötlet a fekete lyukakat érzékelőként használni új részecskék felkutatására. Extrém gravitációjuk miatt természetes módon sűrítik össze az anyagot, így egyedülálló ötvözetet jelentenek a részecskefizika, a gravitáció és a csillagászati megfigyelések számára.” – tette hozzá Yifan Chen (Niels Bohr Intézet), a tanulmány vezető szerzője.
A kutatócsoport a fekete lyukakról készült képek egyik feltűnő jellemzőjére összpontosított: az M87* és a Sagittarius A* EHT-felvételein sötétnek tűnő területeket vizsgálták.
Kozmikus sötétszoba
Az EHT valójában rádióteleszkópok globális hálózata, amely az ún. nagyon hosszú bázisvonalú interferometria (Very Long Baseline Interferometry, VLBI) módszerrel egy Föld méretű virtuális teleszkópot alkot. A 230 GHz-es tartományt is észlelni képes műszer be tudja fogni a szinkrotronsugárzást is, amit a szupernagy tömegű fekete lyukak mágneses erővonalai mentén felgyorsult elektronok bocsátanak ki. Az adatokat a kutatók összetett számítógépes szimulációkkal dolgozták fel.
Az EHT megfigyeléseivel a MAD (mágnesesen rögzített korong) modell mutatott következetesen egyezést. Eszerint erős mágneses terek hatolnak át az akkréciós korongon, ahol egyrészt hatnak a beeső anyag áramlására, másrészt táplálják a merőlegesen kitörő sugárnyalábokat. A MAD modell arra is magyarázatot ad, hogy miért sötétek a fekete lyuknál látott területek: a legtöbb elektron az akkréciós korongban található, míg a fölötte és alatta lévő régiókban, ahol a sugárnyalábok kitörnek, kevesebb részecske van, és ez éles kontrasztot idéz elő a képeken.
„A közönséges kozmikus plazmát gyakran hatalmas sugárnyalábok lökik ki, és ezek mellett a sötét régiók különösen halványak. A sötét anyag azonban folyamatosan új részecskéket juttathat be a régiókba, amelyek sugárzást bocsátanak ki.” – magyarázta Chen. Mivel a sötét anyag várhatóan a fekete lyuk közelében sűrűsödik, az alacsony kozmikus háttérből a legkisebb annihilációs jelek is kiemelkedhetnek, így az sötét régió ideális kísérleti tereppé válik.
Modellezni a sötét anyagot
A szupernagy tömegű fekete lyukak erős gravitációja miatt a sötét anyag drámai módon besűrűsödik a közelükben, ezt nevezik „sötét anyag csúcsnak”. Ezek a térségek jelentősen sűrűbbek, mint a galaxis más részei. Mivel a sötét anyag megsemmisülési sebessége a sűrűség négyzetével arányos, a megnövekedett sűrűségű térségek detektálható jeleket produkálhatnak – ha egyáltalán megtörténik a megsemmisülés. A kutatók kifinomult keretrendszert fejlesztettek ki, amely közvetlenül a MAD modellre épül azáltal, hogy a sötét anyag fizikáját hozzáadja az asztrofizikai alapokhoz.
Relativisztikus magnetohidrodinamikai (GRMHD) szimulációkat futtattak le a részletes részecske-terjedési modellek mellett. Ezzel a keretrendszerrel modellezni tudták, hogy a hipotetikus sötét anyag megsemmisülésekor hogyan viselkednének az elektronok és a pozitronok a MAD modell alapján számított mágneses terekben.
A korábbi kutatásokkal ellentétben, amelyek egyszerűsített, gömbszimmetrikus modelleken alapultak, ez a megközelítés a MAD-szimulációkból nyert reális, aszimmetrikus mágneses tér konfigurációkra épül: ugyanazokra a terekre, amelyek az általunk megfigyelhető sugárzást alakítják.
„A fekete lyukakról készült képeken nem magukat a fekete lyukakat látjuk, hanem azoknak a közönséges elektronoknak a sugárzását, amelyek a fekete lyuk körüli akkréciós korongban vannak. Ezeknek a viselkedését a jól ismert fizikai jelenségek alapján modellezhetjük.” – mondta Shu.
A fő különbség a térbeli eloszlásban mutatkozik meg. A MAD-modellekben az elektronok az akkréciós korongban koncentrálódnak, míg a sugárzó régiókban kevés van belőlük, így jön létre a halvány terület. A sötét anyag megsemmisüléséből származó elektronoknak és pozitronoknak azonban egységesebben kell eloszlaniuk a korongban és az anyagsugarakat kibocsátó régiókban, mivel a sötét anyag megsemmisülése folyamatosan szolgáltatja a részecskéket, még ott is, ahol az asztrofizikai folyamatok következtében kevesebb elektron található.
A kutatók két annihilációs csatornát, a bottom (alsó) kvark–antikvark párokat és az elektron–pozitron párokat vizsgálták meg a sötét anyag GeV alattitól a körülbelül 10 TeV-ig terjedő tömegtartományában. Mindegyik forgatókönyv esetében kiszámították a keletkező szinkrotronsugárzást, és szintetikus fekete lyuk-képeket generáltak, amelyek ötvözték az asztrofizikai emissziót és a potenciális sötét anyag jeleit.
A morfológia mint szonda
A kutatók a fekete lyukak képeinek morfológiáját használták ki ahelyett, hogy csak a teljes fényességet vették volna figyelembe. Az elvárásuk az volt, hogy a sötét anyag annihilációs jelei a kép minden pontján, főként a belső, sötét térségben az asztrofizikai emisszió alatt maradjanak. „Összehasonlítottuk ezeket az előrejelzéseket az EHT képeivel a „sötétkamrában”, így megkereshettük azokat az apró jeleket, amelyek felfedhetik a sötét anyagot.” – mondta Shu.
Ez a morfológiai megközelítés sokkal hatékonyabb, mint a korábbi, kizárólag az intenzitáson alapuló megállapítások. Az elemzés a korábban még fel nem tárt paraméter-tér jelentős részeit kizárja, és a jelenlegi EHT-megfigyelések alapján az annihilációs rátára körülbelül 10–27 cm³/s-os felső korlátot állapít meg.
„A jelenlegi EHT-adatokon alapuló határfeltételeink már most a korábban fel nem tárt paraméter-tér nagy részét lefedik, és felülmúlják azokat a vizsgálatokat, amelyek hasonló sűrűségprofilt feltételeznek.” – mondta Chen. Az új határfeltételek megbízhatóak az asztrofizikai jelenségek bizonytalanságai ellenére is, például hogy milyen gyorsan forog a fekete lyuk, vagy mekkora a körülötte lévő plazma hőmérséklete. Ezek a tényezők általában jelentősen megnehezítik a sötét anyag nyomainak közvetett keresését, de a mostani vizsgálatban a kapott korlátok így is stabilak maradtak.
Jövőbeni kilátások
Az új megközelítés valódi haszna az EHT várható fejlesztései során fog megmutatkozni, ezek pedig igen ígéretesek: a dinamikai tartomány közel százszorosára nőhet, és a szögfelbontás majdnem egyenértékű lesz a gravitációs sugárral, ami lehetővé teszi, hogy még mélyebbre hatoljunk a halvány terület legsötétebb régióiba.
„A legfontosabb fejlesztés a távcső dinamikai tartományának növelése lesz, mert így a rendkívül fényes objektumok mellett nagyon halvány részleteket is láthatunk majd.” – magyarázta Chen. „Jó példa erre a sok okostelefonban megtalálható HDR (high dinamic range, nagy dinamikatartomány) mód, amely fejlett feldolgozási technikákkal hozza ki a részleteket mind a sötét árnyékokban, mind a fényes területeken ugyanazon a képen.”
Ezek a fejlesztések lehetővé tehetik a körülbelül 10 TeV-ig terjedő tömegű részecskék esetében is a sötét anyag észlelését. A kutatók a jövőre nézve több kutatási irányt is megfogalmaztak. „A fekete lyuk sötét régiója nem csak egy statikus kép, hanem egy dinamikus, többrétegű laboratórium.” – mondta Shu. „Az intenzitástérképeken túl az EHT polarizációs adatai is jó lehetőségekkel szolgálnak, mert a polarizáció megmondja, hogy a mágneses terek és a plazma miként alakítják a sugárzást.”
Shu szerint a többfrekvenciás megfigyelések is kulcsfontosságúak lesznek. A különböző sugárzási mechanizmusok a frekvenciától függően eltérően skálázódnak, lehetővé téve a kutatóknak a sugárzás forrásának meghatározását: lényegében több színt használhatnak a sötét anyag jeleinek az asztrofizikai háttértől való megkülönböztetésére.
Forrás: https://phys.org/news/2025-10-event-horizon-telescope-images-reveal.html
A szakcikk forrása az arXiv preprint portálon: https://arxiv.org/abs/2404.16673
Szerző: Ujhelyi Borbála, Kutatási asszisztens
CSFK Konkoly-Thege Miklós Csillagászati Intézet