Uma nova simulação de computador NASA mostra que partículas de matéria escura colidindo na extrema gravidade de um buraco negro pode produzir luz de raios gama forte, potencialmente observáveis. Detectar esta emissão seria fornecer aos astrônomos uma nova ferramenta para a compreensão de ambos os buracos negros e da natureza da matéria escura, uma substância indescritível representando a maior parte da massa do universo que nem reflete, absorve nem emite luz.
"Enquanto nós ainda não sabemos o que é a matéria escura, sabemos que interage com o resto do universo através da gravidade, o que significa que deve acumular em torno de buracos negros supermassivos", disse Jeremy Schnittman, um astrofísico da Goddard Space Flight Center da NASA em Greenbelt, Maryland. "Um buraco negro não só, naturalmente, concentra partículas de matéria escura, sua força gravitacional amplifica a energia eo número de colisões que podem produzir raios gama."
Em um estudo publicado no The Astrophysical Journal em 23 de Junho, Schnittman descreve os resultados de uma simulação de computador que ele desenvolveu para acompanhar as órbitas de centenas de milhões de partículas de matéria escura, bem como os raios gama produzidos quando eles colidem, nas imediações do um buraco negro. Ele descobriu que alguns raios gama escapou com energias muito superior do que tinha sido previamente considerados como limites teóricos.
Na simulação, a matéria escura tem a forma de interação fraca Partículas maciças , ou WIMPS, agora amplamente considerado como o principal candidato de que a matéria escura poderia ser. Neste modelo, WIMPs que bater em outros WIMPs mutuamente aniquilar e converter em raios gama, a forma mais energética de luz. Mas estas colisões são extremamente rara em circunstâncias normais.
A imagem abaixo mostra o sinal de raios gama produzida na simulação de computador por aniquilação de partículas de matéria escura. Cores mais claras indicam energias mais elevadas. Os raios gama maior de energia originam do centro da região em forma de meia-lua à esquerda, mais próximo ao equador e horizonte de eventos do buraco negro. Os raios gama com maiores chances de escapar são produzidos no lado do buraco negro que gira em nossa direção. Tal emissão torto é típico para um buraco negro em rotação.
Ao longo dos últimos anos, os teóricos se voltaram para buracos negros como concentradores de matéria escura, onde WIMPs podem ser forçadas em conjunto de uma forma que aumenta tanto a taxa e as energias de colisões. O conceito é uma variante doprocesso de Penrose , identificado pela primeira vez em 1969 pelo astrofísico britânico Sir Roger Penrose como um mecanismo para extrair energia a partir de um buraco negro de giro. Quanto mais rápido ele gira, maior será o ganho de energia potencial.
Neste processo, toda a acção tem lugar fora horizonte de eventos do buraco negro, o limite além do qual nada pode escapar, em uma região plana chamada de ergosfera. Dentro do ergosfera, rotação do buraco negro arrasta o espaço-tempo junto com ele e tudo é forçado a se mover na mesma direção em quase velocidade da luz. Isso cria um laboratório natural mais extremo do que qualquer possível na Terra.
Quanto mais rápido o buraco negro gira, maior se torna sua ergosfera, que permite colisões de alta energia mais longe do horizonte de eventos. Isso melhora as chances de que nenhum raios gama produzidos vai escapar do buraco negro.
"Trabalhos anteriores indicaram que a energia máxima de saída a partir da versão de colisão do processo de Penrose foi apenas cerca de 30 por cento maior do que o que você começa com," disse Schnittman. Além disso, apenas uma pequena porção de raios gama de alta energia conseguiram escapar da ergosfera. Estes resultados sugerem que a evidência clara do processo Penrose poderia nunca ser visto a partir de um buraco negro supermassivo.
Mas os estudos anteriores incluíam simplificar suposições sobre onde as colisões de energias elevadas foram mais prováveis de ocorrer. Indo além desse trabalho inicial significava o desenvolvimento de um modelo computacional mais completa, que acompanhou um grande número de partículas como eles se reuniram perto de um buraco negro de giro e interagiram entre si.
Simulação computacional de Schnittman faz exatamente isso. Ao rastrear as posições e propriedades de centenas de milhões de partículas distribuídas aleatoriamente como eles colidem e aniquilam mutuamente perto de um buraco negro, o novo modelo revela processos que produzem raios gama com energias muito mais elevadas, bem como uma melhor probabilidade de fuga e detecção , do que jamais imaginou ser possível. Ele identificou caminhos anteriormente não reconhecidas onde colisões produzem raios gama com uma energia de pico 14 vezes maior do que o das partículas originais.
Usando os resultados deste novo cálculo, Schnittman criou uma imagem simulada do brilho de raios gama como visto por um observador distante que olha ao longo do equador do buraco negro. A luz de maior energia surge a partir do centro de uma região em forma de crescente no lado do buraco negro a girar em relação a nós. Esta é a região onde os raios gama têm a maior chance de sair do ergosfera e ser detectado por um telescópio.
A pesquisa é o início de uma jornada Schnittman espera um dia vai culminar com a detecção de um sinal incontestável aniquilação de matéria escura em torno de um buraco negro supermassivo.
"A simulação nos diz que há um sinal astrophysically interessante nós temos o potencial de detectar em um futuro não muito distante, como telescópios de raios gama melhorar", disse Schnittman. "O próximo passo é criar um quadro em que as observações de raios gama existentes e futuros podem ser usados para ajustar tanto a física de partículas e os modelos de buracos negros."
A imagem da NASA na parte superior da página mostra uma nova imagem de um anel - não de jóias - mas de buracos negros.Dados Nesta imagem composta da Arp 147, um par de galáxias em interação localizado a cerca de 430 milhões de anos-luz da Terra, mostra raios-X a partir do Observatório de Raios-X Chandra da NASA (rosa) e ópticos do telescópio espacial de Hubble (vermelho, verde, azul ) produzida pelo Instituto de Ciência do Telescópio Espacial, ou STSC (AFP Photo / NASA)
O Galaxy diário via NASA
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