Un fisico dell'Università RUDN ha sviluppato una formula per la valutazione dell'effetto della materia oscura sulla dimensione dell'ombra di un buco nero. Si è scoperto che l'effetto sarebbe stato evidente solo se la concentrazione di questa ipotetica forma di materia attorno ai buchi neri nei centri delle galassie fosse anormalmente alta. Se non è il caso, allora è improbabile che la materia oscura possa essere rilevata usando l'ombra di un buco nero. Il lavoro è stato pubblicato sulla rivista Lettere di fisica B:nucleare, Particelle elementari e fisica delle alte energie .

Ad aprile 2019, l'Event Horizon Telescope ha ricevuto la prima immagine in assoluto dell'ombra di un buco nero supermassiccio situato al centro della galassia M87. Per ottenere questo scatto, gli astronomi hanno dovuto combinare otto osservatori situati in tutto il mondo. L'immagine non ha una risoluzione sufficiente per definire chiaramente la geometria del buco nero centrale, ma i ricercatori sperano di ottenere una qualità superiore in futuro. Determinare la forma della sua ombra consentirà agli astronomi di testare varie versioni della teoria della gravità e, possibilmente, trovare un "ponte" che combini la meccanica quantistica e la teoria della relatività generale.

Konoplya romana, un professore associato dell'Istituto Educativo e Scientifico di Gravità e Cosmologia dell'Università RUDN, si chiedeva se l'ipotetica materia oscura, che rappresenta circa l'85% di tutta la materia nell'universo, può avere un effetto visibile sulla forma e sul raggio dell'ombra di un buco nero, una macchia scura che appare a causa della curvatura delle traiettorie dei fotoni nel campo gravitazionale superpotente di un tale oggetto. Il cosmologo ha ottenuto una formula che consente di determinare la variazione del raggio dell'ombra a seconda della quantità di materia oscura che la circonda.

Il cosmologo RUDN ha esaminato un semplice modello sferico di un buco nero non rotante (Schwarzschild) circondato da un alone di materia oscura. Quindi sviluppò una formula generale per misurare il raggio dell'ombra di un buco nero considerando l'equazione della metrica spaziale per il caso della materia oscura.

Le soluzioni dell'equazione dipendono dalla posizione relativa della sfera di fotoni e del guscio sparso di materia oscura, l'alone. La sfera del fotone è il raggio più piccolo dell'orbita del fotone attorno a un buco nero. Un fotone in questa orbita non può più lasciare le vicinanze del buco, ma non vi cade ancora.

Ci possono essere tre opzioni per una tale disposizione spaziale reciproca. Il primo è che la materia oscura è distribuita in modo tale che la sfera di fotoni si trovi tra lo strato di materia oscura e l'orizzonte degli eventi. In questo caso, la dimensione dell'ombra del buco nero non cambierebbe per l'osservatore, e non saremo in grado di rilevare la presenza di materia oscura dalla forma dell'ombra. La seconda, quando l'alone di materia oscura è più vicino all'orizzonte degli eventi rispetto alla sfera di fotoni, è impossibile, poiché tutta la materia in quest'area sarà inevitabilmente assorbita dal buco nero.

La terza opzione è la più interessante:la sfera di fotoni è immersa in un alone di materia oscura. In questo caso, il raggio dell'ombra dipenderebbe dalla densità dello strato di materia oscura e dalla sua massa:minore è la densità e maggiore è la massa, maggiore è il raggio dell'ombra. Però, i calcoli eseguiti dal cosmologo RUDN hanno mostrato che affinché il cambiamento nel raggio dell'ombra del buco nero sia percepibile da un osservatore esterno, è necessaria una concentrazione anormalmente alta di materia oscura attorno al buco nero centrale. Roman Konoplya ha concluso che è probabile che l'influenza della materia oscura sul raggio dell'ombra sia impercettibile.

"Per deformare la geometria del buco nero così tanto che sarà evidente dalle osservazioni dell'ombra, la materia oscura dovrebbe essere concentrata vicino al buco nero. Nella nostra galassia, ci sono, secondo alcune stime, circa 100 miliardi di masse solari di materia oscura. Però, si presume che la materia oscura sia distribuita in tutto l'alone galattico e non solo nel suo centro. Per influenzare l'ombra di un buco nero, tutta questa enorme massa deve essere concentrata nella regione centrale, che occupa circa un milionesimo del suo volume totale, "Spiegava Roman Konoplya.

Il risultato negativo, il che significa che gli astronomi moderni non sarebbero in grado di utilizzare i buchi neri come "rilevatore" di materia oscura, è estremamente importante per gli astrofisici che sono impegnati nella sua ricerca. La materia oscura è una forma ipotetica di materia, che costituisce circa l'85 percento della materia dell'universo e circa il 25 percento della sua densità, da stime moderne. La materia oscura non emette radiazioni elettromagnetiche, a differenza della normale materia barionica, e non interagisce direttamente con esso. Perciò, nonostante tutti gli sforzi, gli astronomi non sono ancora stati in grado di ottenere prove dirette della sua esistenza.

Ma se per qualche ragione fosse possibile una concentrazione anormalmente alta di materia oscura attorno a un buco nero, gli astronomi dovranno considerare modelli che tengano conto anche degli effetti della rotazione del buco nero e della materia oscura che lo circonda.