2023 Autor: Bryan Walter | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-05-24 23:09
Wenn Schnittman Recht hat, sollte ein Beobachter auf der Erde asymmetrische Gammastrahlung aus der Umgebung von Schwarzen Löchern sehen.
Jeremy Schnittman vom Mission Control Center. Goddard (NASA) revidierte bestehende Vorstellungen über die Ergebnisse gegenseitiger Kollisionen von Teilchen der Dunklen Materie in der Nähe von Schwarzen Löchern und kam zu dem Schluss, dass die Nebenprodukte dieser Kollisionen von Astronomen nachgewiesen werden können. Damit ist es potenziell möglich, die Existenz von Teilchen der Dunklen Materie indirekt zu registrieren. Die entsprechende Arbeit wurde im The Astrophysical Journal veröffentlicht, und der Vorabdruck ist unter arXiv.org zu finden.
2009 stellte eine Gruppe von Wissenschaftlern unter der Leitung von Máximo Bañados eine Hypothese auf, nach der ein Schwarzes Loch nahegelegene Teilchen der Dunklen Materie beschleunigen kann, indem es einen Teil seiner Rotationsenergie durch den Penrose-Mechanismus auf sie überträgt. Infolgedessen wird das Schwarze Loch seine Rotation leicht verlangsamen, aber für Teilchen der Dunklen Materie wird es die Rolle eines starken Beschleunigers spielen. Da Weichtiere nicht an der elektromagnetischen Wechselwirkung teilnehmen, sind Objekte wie Schwarze Löcher die einzigen, die als Beschleuniger für solche Teilchen wirken können. Dennoch wurde in einer Reihe von Folgearbeiten die praktische Bedeutung des Banyados-Silk-West-Effekts in Frage gestellt. Viele Forscher haben argumentiert, dass die Energiemenge, die ein Teilchen durch den Penrose-Mechanismus erhalten kann, nicht so groß ist.
Jeremy Schnittman versuchte, den Prozess der Ausbreitung dunkler Materieteilchen in der Nähe von Schwarzen Löchern genauer zu betrachten. Mit der Monte-Carlo-Methode simulierte der Wissenschaftler die gleichzeitige Bewegung von Millionen schwach wechselwirkender Teilchen der Dunklen Materie ("Wimps") in der Ergosphäre. Weicheier, die in die Ergosphäre eines Schwarzen Lochs eintreten, müssen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigen. Den Berechnungen des Autors zufolge wird der Penrose-Mechanismus bei einigen von ihnen viel effizienter arbeiten als bisher angenommen. Schnittman fand heraus, dass Gammastrahlen der WIMP-Annihilation 14-mal energiereicher sein können als die ursprünglichen Teilchen. Frühere Modelle, die die gleichzeitige Beschleunigung von nur wenigen Teilchen in der Ergosphäre berücksichtigten, zeigten, dass Gammastrahlen in ihrer Energie die ursprünglichen Teilchen nur um 30 Prozent übertreffen können. Obwohl Gammaphotonen beim Verlassen der Ergosphäre eines Schwarzen Lochs einen Teil ihrer Energie verlieren, bleibt diese immer noch größer als die der ursprünglichen WIMPs. „Diese Simulation sagt uns, dass es ein astrophysikalisch interessantes Signal gibt, das wir in nicht allzu ferner Zukunft nachweisen können, wenn die bestehenden Gammastrahlen-Teleskope verbessert werden“, kommentiert der Wissenschaftler. Mit anderen Worten, es besteht die Möglichkeit, dass WIMP-Annihilationen Gammastrahlen erzeugen, die im Spektrum der Gammaphotonen reflektiert werden, die vom Schwarzen Loch ausgehen.
Der Penrose-Mechanismus ist ein Mechanismus, bei dem ein Schwarzes Loch einen Teil seiner Rotationsenergie auf einen aus seiner Ergosphäre ausgestoßenen Körper überträgt. Trifft ein Körper den letzten, so fällt ein Teil davon über den Ereignishorizont hinaus, während der andere Teil, wenn er sich exakt mit der richtigen Geschwindigkeit und in die richtige Richtung bewegt, durch die zusätzliche Krümmung der Raumzeit in der Nähe des rotierender massiver Körper. In diesem Fall kann der zweite Körperteil nicht nur die Ergosphäre des Schwarzen Lochs verlassen, sondern erhält dadurch auch mehr Energie als der ursprüngliche Körper, der in das Loch gefallen ist.
Die Arbeit betrachtet einen zusätzlichen Kanal zur Erhöhung der Energie von Teilchen, bei dem deren Kollisionen in der Erogosphäre die Energien einiger von ihnen zusätzlich erhöhen (der Penrose-Mechanismus bei Teilchenkollisionen).
Wie Schnittman feststellt, trägt auch die relativistische Zeitdilatation in der Nähe des Schwarzen Lochs zu einer Erhöhung der Wahrscheinlichkeit bei, Spuren von WIMP-Annihilation zu entdecken. Aus der Sicht eines entfernten Beobachters werden die Teilchen, die auf den Ereignishorizont des Lochs fallen, zuerst beschleunigt, aber wenn sie sich dem Horizont nähern, verlangsamen sie sich, als ob sie darauf "fallen". Daher sollte die Dichte der in der Nähe beobachteten WIMP-Partikel zunehmen. Auch ohne diese Zunahme der Teilchendichte aufgrund relativistischer Effekte, so der Forscher, sagen viele Modelle eine erhöhte Konzentration dunkler Materie in der Nähe von Schwarzen Löchern in den Zentren von Galaxien voraus. Wie er feststellt: "… ein Schwarzes Loch wird eine große Anzahl dunkler Materieteilchen in nahe verwandte Umlaufbahnen einfangen und ihre Dichte [in seiner eigenen Umgebung] mit zunehmendem Wachstum stark erhöhen."
Darüber hinaus kann in einer Reihe von Modellen, die WIMPs beschreiben, ihr effektiver Kollisionsquerschnitt nach Erreichen eines bestimmten Energieniveaus (aufgrund der Beschleunigung durch ein Schwarzes Loch) sprunghaft ansteigen. Aus diesem Grund wird die Wahrscheinlichkeit der Vernichtung beschleunigter dunkler Materieteilchen bei Kollisionen in der Nähe eines Schwarzen Lochs viel höher sein als in allen anderen Regionen des Universums. Wie Schnittman bemerkt, wenn normalerweise die Kollision und Vernichtung zweier WIMPs so unwahrscheinlich ist wie die Kollision zweier Kugeln in einem Feuergefecht, dann sollte es in der Nähe von Schwarzen Löchern so viele solcher "Kugeln" geben, dass sie einfach periodisch kollidieren müssen. hochenergetische Gammastrahlen erzeugen.
Nach seinen Berechnungen wird es deshalb theoretisch möglich sein, sie mit Gammateleskopen zu registrieren. Zwar kann nur ein Teil der Gammastrahlen "sehen" - diejenigen, die vom Rand des Schwarzen Lochs gebildet werden, das sich in Richtung des terrestrischen Beobachters dreht. Das Leuchten wird besonders stark in der Mitte einer solchen Kante sein, die dem Äquator des Schwarzen Lochs entspricht. Seine andere Kante, die sich von uns weg dreht, wird Gammastrahlen aus der Vernichtung von Teilchen in die andere Richtung emittieren. Durch die Verfolgung schwarzer Löcher mit einigermaßen effizienten Gammastrahlenteleskopen sollte ein terrestrischer Beobachter ein asymmetrisches Leuchten im Gammabereich sehen.
Seine unmittelbare Aufgabe sieht der Forscher darin, eine Obergrenze für die WIMP-Annihilationsfrequenz in der Nähe von Schwarzen Löchern festzulegen. Für die Zukunft plant er jedoch, solche Gammastrahlen zu finden, die es erstmals ermöglichen, die Detektion von Ereignissen, die in direktem Zusammenhang mit der Registrierung von Teilchen der Dunklen Materie stehen, sicher zu erklären:
