Un physicien de l'Université RUDN a mis au point une formule d'évaluation de l'effet de la matière noire sur la taille de l'ombre d'un trou noir. Il s'est avéré que l'effet ne serait perceptible que si la concentration de cette forme hypothétique de matière autour des trous noirs au centre des galaxies est anormalement élevée. Si ce n'est pas le cas, alors il est peu probable que la matière noire puisse être détectée en utilisant l'ombre d'un trou noir. Le travail a été publié dans la revue Physique Lettres B :Nucléaire, Physique élémentaire des particules et des hautes énergies .

En avril 2019, le télescope Event Horizon a reçu la toute première image de l'ombre d'un trou noir supermassif situé au centre de la galaxie M87. Pour obtenir ce cliché, les astronomes devaient combiner huit observatoires situés dans le monde entier. L'image n'a pas une résolution suffisante pour définir clairement la géométrie du trou noir central, mais les chercheurs espèrent atteindre une meilleure qualité à l'avenir. Déterminer la forme de son ombre permettra aux astronomes de tester différentes versions de la théorie de la gravité et, peut-être, trouver un « pont » qui combinerait la mécanique quantique et la théorie de la relativité générale.

Roman Konoplia, professeur agrégé de l'Institut pédagogique et scientifique de la gravité et de la cosmologie de l'Université RUDN, s'est demandé si la matière noire hypothétique, qui représente environ 85 pour cent de toute la matière dans l'univers, peut avoir un effet visible sur la forme et le rayon de l'ombre d'un trou noir, une tache sombre qui apparaît en raison de la courbure des trajectoires des photons dans le champ gravitationnel surpuissant d'un tel objet. Le cosmologiste a obtenu une formule qui permet de déterminer l'évolution du rayon de l'ombre en fonction de la quantité de matière noire qui l'entoure.

Le cosmologiste RUDN a examiné un modèle sphérique simple d'un trou noir non rotatif (Schwarzschild) entouré d'un halo de matière noire. Puis il a développé une formule générale pour mesurer le rayon de l'ombre d'un trou noir en considérant l'équation de la métrique spatiale pour le cas de la matière noire.

Les solutions de l'équation dépendent de la position relative de la sphère de photons et de la couche dispersée de matière noire, le halo. La sphère du photon est le plus petit rayon de l'orbite du photon autour d'un trou noir. Un photon sur cette orbite ne peut plus quitter le voisinage du trou mais n'y tombe pas encore.

Il peut y avoir trois options pour un tel arrangement spatial mutuel. La première est que la matière noire est distribuée de telle sorte que la sphère photonique se trouve entre la couche de matière noire et l'horizon des événements. Dans ce cas, la taille de l'ombre du trou noir ne changerait pas pour l'observateur, et nous ne pourrons pas détecter la présence de matière noire par la forme de l'ombre. La seconde - lorsque le halo de matière noire est plus proche de l'horizon des événements que la sphère photonique - est impossible, puisque toute la matière dans cette zone sera inévitablement absorbée par le trou noir.

La troisième option est la plus intéressante :la sphère photonique est immergée dans un halo de matière noire. Dans ce cas, le rayon de l'ombre dépendrait de la densité de la couche de matière noire et de sa masse :Plus la densité est petite et plus la masse est élevée, plus le rayon de l'ombre est grand. Cependant, les calculs effectués par le cosmologiste RUDN ont montré que pour que le changement du rayon de l'ombre du trou noir soit perceptible par un observateur extérieur, une concentration anormalement élevée de matière noire autour du trou noir central est requise. Roman Konoplya a conclu que l'influence de la matière noire sur le rayon de l'ombre est susceptible d'être imperceptible.

"Afin de déformer la géométrie du trou noir à tel point qu'elle sera perceptible à partir des observations de l'ombre, la matière noire doit être concentrée près du trou noir. Dans notre galaxie, il y a, selon certaines estimations, environ 100 milliards de masses solaires de matière noire. Cependant, on suppose que la matière noire est répartie dans tout le halo galactique et pas seulement en son centre. Pour influencer l'ombre d'un trou noir, toute cette masse énorme doit être concentrée dans la région centrale, qui occupe environ un millionième de son volume total, " expliqua Roman Konoplya.

Le résultat négatif, ce qui signifie que les astronomes modernes ne pourraient pas utiliser les trous noirs comme "détecteur" de matière noire, est extrêmement important pour les astrophysiciens qui sont engagés dans sa recherche. La matière noire est une forme hypothétique de matière, qui représente environ 85 pour cent de la matière de l'univers et environ 25 pour cent de sa densité, par les estimations modernes. La matière noire n'émet pas de rayonnement électromagnétique, contrairement à la matière baryonique ordinaire, et n'interagit pas directement avec lui. Par conséquent, malgré tous les efforts, les astronomes n'ont toujours pas été en mesure d'obtenir des preuves directes de son existence.

Mais si une concentration anormalement élevée de matière noire autour d'un trou noir s'avère possible pour une raison quelconque, les astronomes devront envisager des modèles qui prennent également en compte les effets de la rotation du trou noir et de la matière noire qui l'entoure.