kozmos.hr
Astronomija

Teleskop Event Horizon otkriva novu metodu za detekciju tamne tvari

objavljeno
Podrži Kozmos.hr

Postani član i podrži nezavisno novinarstvo, i otključaj ekskluzivan sadržaj dostupan samo članovima.

Postani član »
Buy Me a Coffee članstvo

Novo istraživanje sugerira da bi crne rupe mogle pomoći u rješavanju jednog od najvećih neriješenih problema moderne fizike, misterija tamne tvari. Prema autorima studije, tamne regije na slikama crnih rupa koje je zabilježio teleskop Teleskop Event Horizon (EHT) mogu djelovati kao iznimno osjetljivi detektori nevidljive tvari koja čini većinu materije u svemiru.

Procjenjuje se da tamna tvar čini oko 85 posto ukupne materije u svemiru, no znanstvenici i dalje ne znaju od čega se sastoji. Tijekom posljednjih desetljeća predloženi su brojni načini njezina otkrivanja, ali novo istraživanje donosi posve drugačiji pristup: korištenje promatranja crnih rupa kao instrumenta za detekciju, s nizom specifičnih prednosti u odnosu na dosadašnje metode.

Snimke supermasivnih crnih rupa koje je EHT objavio posljednjih godina otkrile su više od same geometrije prostorvremena. Otvorile su i neočekivan prozor u potragu za tamnom tvari, pružajući mogućnost da se u istim podacima koji prikazuju horizont događaja pronađu i signali iz svijeta čestica. O istraživanju su za portal Phys.org govorili njegovi suautori Jing Shu sa Sveučilišta u Pekingu i Yifan Chen s Instituta Niels Bohr.

Shu je istaknula da ju je oduvijek fascinirala sposobnost instrumenata poput teleskopa Event Horizon da omoguće istraživanje ekstremnih uvjeta u okolini supermasivnih crnih rupa i testiranje granica poznatih fizikalnih zakona. Chen je dodao da ga već godinama privlači ideja o korištenju crnih rupa kao detektora novih čestica. Njihova golema gravitacija prirodno koncentrira materiju, čineći ih jedinstvenim mjestom susreta fizike čestica, gravitacije i astrofizike.

Znanstveni tim usredotočio se na upečatljivo obilježje EHT snimaka, sjenoviti središnji dio koji se jasno vidi u promatranjima crnih rupa M87* i Sagittarius A*.

Promatranje crnih rupa

Teleskop Event Horizon zapravo je globalna mreža radioteleskopa koji djeluju sinkronizirano, postižući rezoluciju ekvivalentnu promjeru Zemlje pomoću tehnike vrlo duge bazne interferometrije (Very Long Baseline Interferometry). Promatra na frekvenciji od 230 gigaherca i bilježi sinkrotronsko zračenje, svjetlost koju emitiraju elektroni dok spiralno putuju duž snažnih magnetskih polja u blizini crnih rupa.

Simulirane slike supermasivne crne rupe M87*. Lijevi prikaz pokazuje zračenje astrofizičke plazme, dok desni prikazuje moguće zračenje nastalo anihilacijom tamne tvari. Zasluge: Yifan Chen.
Simulirane slike supermasivne crne rupe M87*. Lijevi prikaz pokazuje zračenje astrofizičke plazme, dok desni prikazuje moguće zračenje nastalo anihilacijom tamne tvari. Zasluge: Yifan Chen.

Kako bi razumjeli što promatraju, astrofizičari koriste složene računalne simulacije. Model poznat kao magnetically arrested disk (MAD) do sada se pokazao najuspješnijim u objašnjavanju podataka koje EHT prikuplja. Taj model opisuje akrecijski disk prožet vrlo snažnim magnetskim poljima koja upravljaju dotokom materijala prema središtu i istodobno napajaju snažne mlazove koji izbijaju okomito na ravninu diska.

Ključno objašnjenje koje MAD model pruža jest razlog zbog kojeg sjene crnih rupa izgledaju tamno. Većina elektrona nalazi se u akrecijskom disku, dok su prostori iznad i ispod osi osiromašeni česticama, što stvara izrazit kontrast u svjetlini. Chen pojašnjava da se obična astrofizička plazma često izbacuje moćnim mlazovima, zbog čega središnja sjena ostaje izrazito slaba. Međutim, tamna tvar mogla bi kontinuirano stvarati nove čestice koje bi zračile upravo u toj zoni.

Budući da se predviđa kako se tamna tvar snažno koncentrira u neposrednoj blizini crnih rupa, čak bi i vrlo slabi signali njezina uništavanja mogli biti prepoznatljivi na pozadini slabog astrofizičkog zračenja. Time sjenoviti dio slike postaje idealno polje za ispitivanje.

Modeliranje tamne tvari

Gravitacijsko privlačenje supermasivnih crnih rupa dovodi do dramatične koncentracije tamne tvari u njihovoj okolini, stvarajući strukture koje fizičari nazivaju “dark matter spikes”. U tim regijama gustoća može biti tisućama puta veća nego u bilo kojem drugom dijelu galaksije.

Budući da se stopa anihilacije tamne tvari povećava proporcionalno kvadratu gustoće, upravo bi te visoke koncentracije mogle proizvesti prepoznatljive signale, ako se proces anihilacije doista događa. Znanstvenici su razvili sofisticirani teorijski okvir koji proširuje MAD model uvođenjem fizikalnih parametara tamne tvari u postojeću astrofizičku osnovu.

Koristeći opće relativističke magnetohidrodinamičke simulacije (GRMHD) i detaljno modeliranje kretanja čestica, tim je mogao analizirati kako bi se elektroni i pozitroni nastali hipotetskom anihilacijom tamne tvari ponašali u magnetskim poljima koja proizlaze iz MAD modela. Za razliku od prijašnjih radova koji su pretpostavljali idealizirane sferne simetrije, ovaj pristup koristi realne, nepravilne strukture magnetskih polja, iste one koje određuju emisiju zračenja što ga uočava EHT.

Shu objašnjava da na slikama crnih rupa ne vidimo samu rupu, već svjetlost koju emitiraju obični elektroni u okolnom akrecijskom disku, čije se ponašanje može pouzdano opisati poznatom fizikom. Kada bi se čestice tamne tvari uništavale u blizini crne rupe, stvarale bi dodatne elektrone i pozitrone čije bi zračenje imalo nešto drukčiji spektar od uobičajenog.

Ključna razlika pojavila bi se u prostornoj raspodjeli. U MAD modelu elektroni su koncentrirani u disku, dok su mlazovi gotovo prazni, stvarajući prepoznatljivu tamnu sjenu. Nasuprot tomu, elektroni i pozitroni koji potječu od anihilacije tamne tvari bili bi raspoređeni mnogo ravnomjernije, jer taj proces stalno ubacuje čestice i u regije gdje ih inače nema.

Znanstvenici su analizirali dva moguća kanala anihilacije: parove kvarka i antikvarka tipa bottom te parove elektrona i pozitrone – pri masama tamne tvari od ispod jednog gigaelektronvolta (GeV) do približno deset teraelektronvolta (TeV). Za svaki su scenarij izračunali očekivano sinkrotronsko zračenje i proizveli sintetičke slike crnih rupa koje uključuju i klasične astrofizičke izvore i potencijalne doprinose tamne tvari.

Oblik slike kao trag

Posebnost njihova pristupa leži u tome što ne promatraju samo ukupnu svjetlinu slike, nego i njezinu morfologiju, prostorni raspored svjetlosnih struktura. U modelu je uveden uvjet da signali tamne tvari moraju svugdje ostati slabiji od prirodnog astrofizičkog zračenja, osobito unutar same sjene.

Shu ističe da se usporedbom takvih predviđanja sa stvarnim EHT slikama može tražiti vrlo suptilne razlike koje bi odavale prisutnost tamne tvari. Analiza temeljena na morfologiji pokazala se znatno osjetljivijom od ranijih pristupa koji su uzimali u obzir samo ukupni intenzitet. Rezultati isključuju velik dio dosad neistraženog prostora parametara i postavljaju gornju granicu presjeka anihilacije od oko 10⁻²⁷ kubičnih centimetara u sekundi, što se odnosi na sadašnje EHT podatke.

Chen napominje da njihovi rezultati već zahvaćaju područja do kojih druge metode nisu dopirale. Usto, ograničenja ostaju stabilna i pri raznim astrofizičkim nesigurnostima, poput različitih brzina rotacije crne rupe ili promjena temperature plazme, koje u drugim metodama često unose značajne pogreške.

Pravi potencijal

Pravi potencijal ove metode trebao bi se pokazati s planiranim nadogradnjama EHT sustava. Buduća poboljšanja omogućit će povećanje dinamičkog raspona gotovo stotinu puta i postizanje kutne rezolucije usporedive s jednim gravitacijskim radijusom, što će znanstvenicima omogućiti da zavire dublje u najmračnije dijelove sjene.

Chen objašnjava da je ključno unaprijediti dinamički raspon teleskopa, sposobnost otkrivanja vrlo slabih detalja uz iznimno svijetle strukture. To uspoređuje s načinom rada HDR funkcije na pametnim telefonima koja istodobno otkriva detalje i u sjeni i na jako osvijetljenim dijelovima slike.

Zahvaljujući tim poboljšanjima, EHT bi u budućnosti mogao otkrivati i tragove tamne tvari. Osjetljivost teleskopa bila bi dovoljna da zabilježi njezine najvjerojatnije oblike i količine, onako kako ih predviđa moderna fizika. Ako bi se to ostvarilo, EHT bi postao više od alata za proučavanje gravitacije i relativnosti, pretvorio bi se u novo sredstvo za potragu za temeljnim česticama svemira.

Shu zaključuje da sjena crne rupe nije statična slika, već dinamičan, višeslojan laboratorij. Osim karata svjetline, važni su i podaci o polarizaciji zračenja, jer polarizacija otkriva način na koji magnetska polja i plazma oblikuju emisiju. Prema njezinu mišljenju, buduća višefrekventna promatranja također će biti ključna jer različiti mehanizmi zračenja ovise o frekvenciji, što omogućuje da se iz više “boja” razlikuje potječe li zračenje od obične materije ili od procesa povezanih s tamnom tvari.

Ivan je novinar i autor koji piše o znanosti, svemiru i povijesti. Gostuje kao stručni sugovornik na Science Discovery i History Channelu te piše za Večernji list. Osnivač je Kozmos.hr, prvog hrvatskog portala posvećenog popularizaciji znanosti.

Subscribe
Notify of
guest
0 Comments
Oldest
Newest Most Voted
Inline Feedbacks
View all comments
Podrži Kozmos.hr

Postani član i podrži nezavisno novinarstvo, i otključaj ekskluzivan sadržaj dostupan samo članovima.

Postani član »
Buy Me a Coffee članstvo
0
Would love your thoughts, please comment.x
()
x