Um físico da Universidade RUDN desenvolveu uma fórmula para avaliação do efeito da matéria escura no tamanho da sombra de um buraco negro. Descobriu-se que o efeito seria perceptível apenas se a concentração dessa forma hipotética de matéria ao redor dos buracos negros nos centros das galáxias fosse anormalmente alta. Se não for o caso, então é improvável que a matéria escura possa ser detectada usando a sombra de um buraco negro. O trabalho foi publicado na revista Letras B de Física:Nuclear, Partículas elementares e física de alta energia .

Em abril de 2019, o Event Horizon Telescope recebeu a primeira imagem da sombra de um buraco negro supermassivo localizado no centro da galáxia M87. Para conseguir esta foto, os astrônomos tiveram que combinar oito observatórios localizados ao redor do globo. A imagem não tem resolução suficiente para definir claramente a geometria do buraco negro central, mas os pesquisadores esperam alcançar maior qualidade no futuro. Determinar a forma de sua sombra permitirá que os astrônomos testem várias versões da teoria da gravidade e, possivelmente, encontre uma "ponte" que combinaria a mecânica quântica e a teoria geral da relatividade.

Roman Konoplya, professor associado do Instituto Educacional e Científico de Gravidade e Cosmologia da Universidade RUDN, se perguntou se hipotética matéria escura, que é responsável por cerca de 85 por cento de toda a matéria do universo, pode ter um efeito visível na forma e no raio da sombra de um buraco negro - uma mancha escura que aparece devido à curvatura das trajetórias dos fótons no campo gravitacional superpoderoso de tal objeto. O cosmologista obteve uma fórmula que permite determinar a variação do raio da sombra em função da quantidade de matéria escura que a rodeia.

O cosmologista RUDN examinou um modelo esférico simples de um buraco negro não giratório (Schwarzschild) cercado por um halo de matéria escura. Em seguida, ele desenvolveu uma fórmula geral para medir o raio da sombra de um buraco negro, considerando a equação da métrica espacial para o caso da matéria escura.

As soluções da equação dependem da posição relativa da esfera de fótons e da camada espalhada de matéria escura - o halo. A esfera do fóton é o menor raio da órbita do fóton em torno de um buraco negro. Um fóton nesta órbita não pode mais deixar as vizinhanças do buraco, mas ainda não caiu nele.

Pode haver três opções para esse arranjo espacial mútuo. A primeira é que a matéria escura é distribuída de tal forma que a esfera de fótons fica entre a camada de matéria escura e o horizonte de eventos. Nesse caso, o tamanho da sombra do buraco negro não mudaria para o observador, e não seremos capazes de detectar a presença de matéria escura pelo formato da sombra. O segundo - quando o halo de matéria escura está mais perto do horizonte de eventos do que a esfera de fótons - é impossível, uma vez que toda a matéria nesta área será inevitavelmente absorvida pelo buraco negro.

A terceira opção é a mais interessante:a esfera de fótons está imersa em um halo de matéria escura. Nesse caso, o raio da sombra dependeria da densidade da camada de matéria escura e de sua massa:quanto menor a densidade e maior a massa, quanto maior o raio da sombra. Contudo, os cálculos realizados pelo cosmologista RUDN mostraram que para a mudança no raio da sombra do buraco negro ser perceptível por um observador externo, uma concentração anormalmente alta de matéria escura ao redor do buraco negro central é necessária. Roman Konoplya concluiu que a influência da matéria escura no raio da sombra é provavelmente imperceptível.

"Para deformar a geometria do buraco negro tanto que seja perceptível a partir das observações da sombra, a matéria escura deve ser concentrada perto do buraco negro. Em nossa galáxia, existem, de acordo com algumas estimativas, cerca de 100 bilhões de massas solares de matéria escura. Contudo, presume-se que a matéria escura está distribuída por todo o halo galáctico e não apenas em seu centro. Para influenciar a sombra de um buraco negro, toda essa enorme massa deve estar concentrada na região central, que ocupa aproximadamente um milionésimo de seu volume total, "Roman Konoplya explicou.

O resultado negativo, o que significa que os astrônomos modernos não seriam capazes de usar buracos negros como um "detector" de matéria escura, é extremamente importante para os astrofísicos que estão engajados em sua pesquisa. A matéria escura é uma forma hipotética de matéria, que constitui cerca de 85 por cento da matéria do universo e cerca de 25 por cento de sua densidade, por estimativas modernas. A matéria escura não emite radiação eletromagnética, ao contrário da matéria bariônica comum, e não interage diretamente com ele. Portanto, apesar de todos os esforços, os astrônomos ainda não foram capazes de obter evidências diretas de sua existência.

Mas se uma concentração anormalmente alta de matéria escura ao redor de um buraco negro for possível por algum motivo, os astrônomos precisarão considerar modelos que também levem em consideração os efeitos da rotação do buraco negro e a matéria escura ao seu redor.