Un físico de la Universidad de la RUDN ha desarrollado una fórmula para evaluar el efecto de la materia oscura en el tamaño de la sombra de un agujero negro. Resultó que el efecto sería notable solo si la concentración de esta forma hipotética de materia alrededor de los agujeros negros en los centros de las galaxias es anormalmente alta. Si no es el caso, entonces es poco probable que la materia oscura pueda detectarse utilizando la sombra de un agujero negro. El trabajo fue publicado en la revista Letras de Física B:Nuclear, Física de partículas elementales y altas energías .

En abril de 2019, El Event Horizon Telescope recibió la primera imagen de la sombra de un agujero negro supermasivo ubicado en el centro de la galaxia M87. Para conseguir esta foto los astrónomos tuvieron que combinar ocho observatorios ubicados en todo el mundo. La imagen no tiene suficiente resolución para definir claramente la geometría del agujero negro central, pero los investigadores esperan lograr una mayor calidad en el futuro. Determinar la forma de su sombra permitirá a los astrónomos probar varias versiones de la teoría de la gravedad y, posiblemente, encontrar un "puente" que combine la mecánica cuántica y la teoría general de la relatividad.

Roman Konoplya, profesor asociado del Instituto Científico y Educativo de Gravedad y Cosmología de la Universidad RUDN, me preguntaba si hipotética materia oscura, que representa aproximadamente el 85 por ciento de toda la materia en el universo, puede tener un efecto visible en la forma y el radio de la sombra de un agujero negro, una mancha oscura que aparece debido a la curvatura de las trayectorias de los fotones en el campo gravitacional superpoderoso de tal objeto. El cosmólogo obtuvo una fórmula que permite determinar el cambio en el radio de la sombra en función de la cantidad de materia oscura que la rodea.

El cosmólogo de la RUDN examinó un modelo esférico simple de un agujero negro no giratorio (Schwarzschild) rodeado por un halo de materia oscura. Luego desarrolló una fórmula general para medir el radio de la sombra de un agujero negro considerando la ecuación de la métrica espacial para el caso de la materia oscura.

Las soluciones de la ecuación dependen de la posición relativa de la esfera de fotones y la capa dispersa de materia oscura:el halo. La esfera de fotones es el radio más pequeño de la órbita del fotón alrededor de un agujero negro. Un fotón en esta órbita ya no puede salir de la vecindad del agujero pero aún no cae en él.

Puede haber tres opciones para tal disposición espacial mutua. La primera es que la materia oscura se distribuye de tal manera que la esfera de fotones se encuentra entre la capa de materia oscura y el horizonte de sucesos. En este caso, el tamaño de la sombra del agujero negro no cambiaría para el observador, y no podremos detectar la presencia de materia oscura por la forma de la sombra. El segundo, cuando el halo de materia oscura está más cerca del horizonte de sucesos que la esfera de fotones, es imposible, ya que toda la materia en esta área será absorbida inevitablemente por el agujero negro.

La tercera opción es la más interesante:la esfera de fotones está inmersa en un halo de materia oscura. En este caso, el radio de la sombra dependería de la densidad de la capa de materia oscura y de su masa:cuanto menor es la densidad y mayor la masa, cuanto mayor sea el radio de la sombra. Sin embargo, Los cálculos realizados por el cosmólogo de la RUDN mostraron que para que el cambio en el radio de la sombra del agujero negro sea perceptible para un observador externo, Se requiere una concentración anormalmente alta de materia oscura alrededor del agujero negro central. Roman Konoplya concluyó que es probable que la influencia de la materia oscura en el radio de la sombra sea imperceptible.

"Para deformar tanto la geometría del agujero negro que se pueda notar a partir de las observaciones de la sombra, la materia oscura debe concentrarse cerca del agujero negro. En nuestra galaxia existen, según algunas estimaciones, alrededor de 100 mil millones de masas solares de materia oscura. Sin embargo, se supone que la materia oscura se distribuye por todo el halo galáctico y no solo en su centro. Para influir en la sombra de un agujero negro, toda esta enorme masa debe concentrarse en la región central, que ocupa aproximadamente una millonésima parte de su volumen total, "Explicó Roman Konoplya.

El resultado negativo, lo que significa que los astrónomos modernos no podrían utilizar los agujeros negros como "detector" de materia oscura, es extremadamente importante para los astrofísicos que se dedican a su búsqueda. La materia oscura es una forma hipotética de materia, que constituye aproximadamente el 85 por ciento de la materia del universo y aproximadamente el 25 por ciento de su densidad, según estimaciones modernas. La materia oscura no emite radiación electromagnética, a diferencia de la materia bariónica ordinaria, y no interactúa directamente con él. Por lo tanto, a pesar de todos los esfuerzos, los astrónomos aún no han podido obtener pruebas directas de su existencia.

Pero si por alguna razón resulta posible una concentración anormalmente alta de materia oscura alrededor de un agujero negro, Los astrónomos deberán considerar modelos que también tengan en cuenta los efectos de la rotación del agujero negro y la materia oscura que lo rodea.