Yeni bir habere göre Fiziksel İnceleme Mektupları Yapılan araştırmalara göre kara delikler karanlık madde gizemini çözmeye yardımcı olabilir. Event Horizon Teleskobu tarafından yakalanan kara delik görüntülerindeki gölgeli bölgeler, evrendeki maddenin çoğunu oluşturan görünmez malzeme için ultra hassas dedektörler görevi görebilir.
Karanlık madde evrendeki maddenin kabaca %85’ini oluşturuyor ancak bilim insanları bunun gerçekte ne olduğunu hâlâ bilmiyor. Araştırmacılar onu tespit etmek için sayısız yol önermiş olsa da, bu çalışma kara delik görüntülemeyi yeni bir tespit yöntemi olarak tanıtıyor; bu yöntem bazı belirgin faydalar sağlıyor.
Event Horizon Teleskobu’nun süper kütleli kara deliklerin çarpıcı görüntüleri, uzay-zamanın geometrisinden fazlasını ortaya çıkardı; karanlık madde arayışına beklenmedik bir pencere açtılar.
CEİD, Pekin Üniversitesi’nden ortak yazarlar Jing Shu ve Niels Bohr Enstitüsü’nden Yifan Chen ile konuştu.
Shu, “Süper kütleli kara deliklerin etrafındaki aşırı ortamları araştırmamıza ve bilinen fiziksel yasaların sınırlarına meydan okumamıza olanak tanıyan Olay Ufku Teleskobu (EHT) gibi araçlar beni her zaman büyülemiştir” dedi.
Chen ekledi: “Kara delikleri yeni parçacıklar için dedektör olarak kullanma fikri beni büyüledi. Aşırı yerçekimi onları doğal madde yoğunlaştırıcıları haline getiriyor ve parçacık fiziği, yerçekimi ve astrofizik gözlem için benzersiz bir buluşma noktası yaratıyor.”
Araştırma ekibi kara delik görüntülerinin çarpıcı bir özelliğine odaklandı: M87* ve Yay A*’nın EHT gözlemlerinde karanlık görünen gölge bölgesi.
Kozmik bir karanlık oda
Olay Ufku Teleskobu, Çok Uzun Taban Çizgisi Girişimölçümü aracılığıyla Dünya boyutunda çözünürlük elde etmek için uyum içinde çalışan radyo gözlemevlerinden oluşan küresel bir ağdır. 230 GHz frekansında çalışan teleskop, elektronların süper kütleli kara deliklerin yakınındaki yoğun manyetik alan çizgileri boyunca spiral çizerek ürettiği ışık olan senkrotron ışınımını yakalar.
Astrofizikçiler gördüklerini anlamak için karmaşık bilgisayar simülasyonları yürütüyorlar.
Manyetik olarak tutuklanan disk (MAD) modeli, EHT gözlemleriyle sürekli olarak en iyi uyumu sağlamıştır. MAD modeli, birikim diskine giren güçlü manyetik alanları tasvir ediyor; burada hem içeri giren maddenin akışını hem de diske dik olarak patlayan güç jetlerini düzenliyorlar.
MAD modeli, kara delik gölgelerinin neden karanlık göründüğünü açıklıyor: Elektronların çoğu birikim diskinde bulunurken, yukarıdaki ve alttaki jet bölgeleri nispeten parçacık açısından fakir olduğundan görüntülerde keskin bir kontrast yaratıyor.
Chen, “Sıradan astrofiziksel plazma genellikle güçlü jetler tarafından dışarı atılıyor ve gölge bölgesi özellikle soluk kalıyor” diye açıkladı. “Ancak karanlık madde, bu bölgeye yayılan yeni parçacıkları sürekli olarak enjekte edebilir.”
Karanlık maddenin kara deliğin merkezine yakın bir yerde yoğun bir şekilde yoğunlaşması beklendiğinden, zayıf yok oluş sinyalleri bile bu düşük astrofiziksel arka planda öne çıkabilir ve gölgeyi ideal bir test alanı haline getirebilir.
Karanlık maddenin modellenmesi
Süper kütleli kara deliklerin çekim kuvveti, karanlık maddenin çevrelerinde önemli ölçüde yoğunlaşmasına neden olarak fizikçilerin “karanlık madde sivri ucu” dediği şeyi oluşturur. Bu bölgeler galaksideki herhangi bir yerden çok daha yüksek yoğunluk derecelerine ulaşır.
Karanlık madde yok olma oranları yoğunluğun karesine bağlı olduğundan, bu artan yoğunluklar, eğer yok olma gerçekleşirse, tespit edilebilir sinyaller üretebilir.
Araştırma ekibi, astrofiziksel temele karanlık madde fiziğini ekleyerek doğrudan MAD modeli üzerine inşa edilen karmaşık bir çerçeve geliştirdi.
Ekip, ayrıntılı parçacık yayılım modellemesinin yanı sıra genel göreli manyetohidrodinamik (GRMHD) simülasyonları uyguladı. Bu çerçeveyle, varsayımsal karanlık madde yok oluşundan kaynaklanan elektronların ve pozitronların, MAD modelinden çıkarılan manyetik alan yapılarında nasıl davranacağını modelleyebildiler.
Basitleştirilmiş küresel modellere dayanan önceki çalışmaların aksine, bu yaklaşım, MAD simülasyonlarından elde edilen gerçekçi, asimetrik manyetik alan konfigürasyonlarını (gözlemlediğimiz astrofiziksel emisyonu şekillendiren alanların aynısı) kullanıyor.
Shu, “Kara delik görüntülerinde gördüğümüz şey, kara deliğin kendisi değil, davranışlarını iyi bilinen fizik kullanarak modelleyebileceğimiz, çevredeki birikim diskindeki sıradan elektronlar tarafından yayılan ışıktır” dedi.
“Eğer karanlık madde parçacıkları kara deliğin yakınında yok oluyorsa, radyasyonu normal emisyondan biraz farklı görünen ekstra elektronlar ve pozitronlar üreteceklerdir.”
Kritik ayrım mekansal dağılımda ortaya çıkıyor. MAD modelinde elektronlar, jet bölgelerinde seyrek popülasyonlarla birlikte birikim diskinde yoğunlaşarak koyu gölgeyi yaratır.
Ancak karanlık madde yok edilmesinden kaynaklanan elektronlar ve pozitronlar, hem disk hem de jet bölgeleri boyunca daha düzgün bir şekilde dağıtılacaktır, çünkü karanlık madde yok edilmesi, astrofiziksel süreçlerin az sayıda elektron ürettiği durumlarda bile sürekli olarak parçacık sağlar.
Ekip, alt-GeV’den yaklaşık 10 TeV’ye kadar değişen karanlık madde kütleleri boyunca iki yok oluş kanalını (alt kuark-antikuark çiftleri ve elektron-pozitron çiftleri) inceledi.
Her senaryo için, ortaya çıkan sinkrotron radyasyonunu hesapladılar ve hem astrofiziksel emisyonu (MAD’den gelen) hem de potansiyel karanlık madde sinyallerini birleştiren sentetik kara delik görüntüleri ürettiler.
Bir araştırma olarak morfoloji
Araştırmacıların kara delik görüntülerinin yalnızca toplam parlaklıktan ziyade morfolojisinden yararlanma yaklaşımı, çalışmayı öne çıkarıyor.
Karanlık madde yok etme sinyallerinin görüntünün her noktasında, özellikle de iç gölge bölgesinde, astrofiziksel emisyonun altında kalmasını istiyorlardı.
Shu, “Bu tahminleri ‘karanlık oda’daki gerçek EHT görüntüleriyle karşılaştırarak, karanlık maddeyi ortaya çıkarabilecek ince sinyalleri arayabiliriz” dedi.
Bu morfolojik yaklaşımın, yalnızca toplam yoğunluğa dayalı önceki kısıtlamalardan önemli ölçüde daha güçlü olduğu kanıtlanmıştır. Analiz, daha önce keşfedilmemiş parametre uzayının önemli bölgelerini hariç tutuyor ve yok etme kesitlerine yaklaşık 10’a kadar sınırlama getiriyor.-27 Mevcut EHT gözlemleri için cm³/s.
Chen, “Mevcut EHT gözlemlerine dayanan hariç tutmalarımız, daha önce keşfedilmemiş parametre alanının geniş bölgelerini halihazırda araştırıyor ve benzer yoğunluk profillerini varsayan diğer aramaları geride bırakıyor” dedi.
Kısıtlamalar, kara delik dönüşü ve plazma sıcaklığı parametrelerindeki değişiklikler de dahil olmak üzere astrofiziksel belirsizliklere karşı sağlam kalıyor; bunlar genellikle dolaylı karanlık madde aramalarında önemli belirsizliklere neden olan faktörler.
Gelecek beklentileri
Bu yaklaşımın gerçek gücü, beklenen EHT yükseltmeleriyle ortaya çıkacak. Gelecekteki iyileştirmeler, dinamik aralığı neredeyse 100 kat artırmayı ve yaklaşık bir yerçekimsel yarıçapa eşdeğer açısal çözünürlük elde etmeyi vaat ederek, gölgenin en karanlık bölgelerine daha derinlemesine bakmalarına olanak tanıyor.
Chen, “Önemli yükseltme, teleskobun dinamik aralığını geliştiriyor; bu da onun son derece parlak özelliklerin hemen yanında çok soluk ayrıntıları ortaya çıkarma yeteneğidir” diye açıkladı.
“Yaygın bir örnek, birçok akıllı telefondaki ‘yüksek dinamik aralık’ (HDR) modudur; bu mod, aynı görüntüdeki hem karanlık gölgelerdeki hem de parlak vurgulardaki ayrıntıları ortaya çıkarmak için gelişmiş işlemeyi kullanır.”
Bu geliştirmeler, yaklaşık 10 TeV’ye kadar kütleler için teorik olarak iyi motive edilmiş bir hedef olan termal kalıntı değerine yakın yok olma kesitlerine sahip karanlık maddenin tespit edilmesini sağlayabilir.
İleriye baktığımızda, araştırmacılar bu araştırmayı genişletmek için çeşitli yönler öngörüyorlar.
Shu, “Kara delik gölgesi sadece statik bir görüntü değil; dinamik, çok katmanlı bir laboratuvardır” dedi. “Yoğunluk haritalarının ötesinde, EHT’den gelen polarizasyon verileri de yeni pencereler açıyor çünkü polarizasyon, manyetik alanların ve plazmanın radyasyonu nasıl şekillendirdiğini kodluyor.”
Shu’ya göre çok frekanslı gözlemler de çok önemli olacak. Farklı radyasyon mekanizmaları frekansa göre farklı şekilde ölçeklenerek araştırmacıların radyasyonun kaynağını belirlemesine olanak tanır; esasen karanlık madde sinyallerini astrofiziksel arka planlardan ayırt etmek için birden fazla renk kullanır.
Sizin için yazarımız Tejasri Gururaj tarafından yazılan, Gaby Clark tarafından düzenlenen ve Robert Egan tarafından gerçekleri kontrol edilen ve gözden geçirilen bu makale, insanların dikkatli çalışmasının sonucudur. Bağımsız bilim gazeteciliğini canlı tutmak için sizin gibi okuyuculara güveniyoruz. Bu raporlama sizin için önemliyse lütfen bağış yapmayı düşünün (özellikle aylık). Bir alacaksın reklamsız bir teşekkür olarak hesaplayın.
