NASA Mengungsulkan Simulasi dari Lubang Hitam (Black Hole)

Sebuah simulasi dari komputer NASA baru menunjukkan bahwa partikel materi gelap bertabrakan di gravitasi ekstrim dari lubang hitam dapat menghasilkan cahaya kuat gamma-ray, yang masih berpotensi diamati. Mendeteksi emisi ini akan memberikan para astronom dengan alat baru untuk memahami kedua lubang hitam dan sifat materi gelapnya, substansi yang sulit dipahami adalah akutansi (perhitungan) untuk sebagian besar dalam massa alam semesta yang tidak mencerminkan, menyerap atau memancarkan cahaya.



"Sementara ini kita belum mengetahui apa meteri gelapnya, kita hanya tahu interaksi dengan seluruh alam semesta melalui gravitasi yang berarti harus menumpuk di sekitar lubang hitam supermasif" kata Jeremy Schnittman, astrofisikawan di NASA Goddard Space Flight Center di Greenbelt, Maryland. "Sebuah lubang hitam tidak hanya secara alami berkonsentrasi partikel materi gelap, gaya gravitasi yang menguatkan energi dan jumlah tabrakan yang dapat menghasilkan sinar gamma."


Dalam sebuah penelitian yang diterbitkan dalam The Astrophysical Journal pada tanggal 23 Juni, Schnittman menjelaskan hasil simulasi komputer yang dikembangkan untuk mengikuti orbit ratusan juta partikel materi gelap, serta sinar gamma yang dihasilkan ketika mereka bertabrakan di sekitar lubang hitam. Dia menemukan bahwa beberapa sinar gamma melarikan diri dengan energi yang jauh melebihi apa yang sebelumnya telah dianggap sebagai batas teoritis.

Dalam simulasi, materi gelap berbentuk Lemah berinteraksi dengan Partikel lebih besar. Dalam model ini, WIMP yang menabrak WIMP lainnya saling memusnahkan dan mengkonversi menjadi sinar gamma, bentuk yang paling energik daru cahaya. Tapi tabrakan ini sangat jarang terjadi dalam keadaan normal.

Selama beberapa tahun terakhir, teori telah berpaling ke lubang hitam sebagai konsentrator materi gelap, di mana WIMP dapat dipaksa bersama-sama dengan cara yang meningkatkan energi tabrakan. Konsepnya adalah varian dari proses Penrose, pertama kali diidentifikasi pada tahun 1969 oleh astrofisikawan Inggris Sir Roger Penrose sebagai mekanisme untuk mengekstraksi energi dari lubang hitam yang berputar. Semakin cepat berputar, semakin besar keuntungan energi potensialnya.


Dalam proses ini, semua tindakan terjadi di luar cakrawala peristiwa lubang hitam, batas luar yang tidak dapat melarikan diri, di wilayah merata disebut ergosphere. Dalam ergosphere, rotasi lubang hitam menyeret ruang-waktu bersamaan dengan itu dan semuanya dipaksa untuk bergerak ke arah yang sama dengan hampir seperti kecepatan cahaya. Hal ini menciptakan laboratorium alam yang lebih ekstrim dari apa yang ada di Bumi.

Semakin cepat lubang hitam berputar, semakin besar ergosphere yang tercipta, yang memungkinkan tabrakan energi menjadi jauh lebih tinggi dari pristiwa cakrawala. Hal ini meningkatkan kemungkinan bahwa setiap sinar gamma yang dihasilkan akan melarikan diri dari lubang hitam (Black hole).

"Penelitian sebelumnya menunjukkan bahwa energi output maksimum dari versi tumbukan dari proses Penrose hanya sekitar 30 persen" kata Schnittman. Selain itu, hanya sebagian kecil dari sinar gamma  berenergi besar yang berhasil melarikan diri dari ergosphere. Hasil ini menunjukkan bahwa bukti yang jelas dari proses Penrose mungkin pernah dilihat dari lubang hitam supermasif.

Tetapi studi sebelumnya termasuk menyederhanakan asumsi tentang di mana tabrakan energi terbesar yang paling mungkin terjadi. Bergerak di luar pekerjaan awal berarti mengembangkan model komputasi yang lebih lengkap, yang dilacak sejumlah besar partikel karena mereka berkumpul di dekat lubang hitam berputar dan berinteraksi hanya antara mereka sendiri.

Simulasi komputer Schnittman ini tidak hanya itu. Dengan melacak posisi dan sifat dari ratusan juta partikel didistribusikan secara acak karena mereka bertabrakan dan memusnahkan satu sama lainnya di dekat lubang hitam, model baru mengungkapkan proses yang menghasilkan sinar gamma dengan energi yang lebih tinggi, serta kemungkinan yang lebih baik dari melarikan diri dan deteksi , dari sebelumnya yang terpikirkan. Dia mengidentifikasi jalur yang sebelumnya tidak dikenal di mana tabrakan menghasilkan sinar gamma dengan energi 14 kali lebih tinggi dari partikel aslinya.

Menggunakan hasil perhitungan baru ini, Schnittman menciptakan citra simulasi cahaya gamma-ray seperti yang terlihat oleh pengamat jauh mencari di sepanjang khatulistiwa lubang hitam. Lampu-energi tertinggi muncul dari pusat daerah berbentuk bulan sabit di sisi lubang hitam berputar ke arah kami. Ini adalah daerah di mana sinar gamma memiliki kesempatan terbesar keluar ergosphere dan terdeteksi oleh teleskop.

Penelitian ini adalah awal dari sebuah perjalanan Schnittman berharap suatu hari akan berujung dengan deteksi tak terbantahkan dari sinyal pemusnahan dari materi gelap di sekitar lubang hitam supermasif.

"Simulasi mengatakan ada sinyal astrophysically menarik kita memiliki potensi untuk mendeteksi dalam waktu yang tidak terlalu jauh, seperti teleskop yang mampu meningkatkan sinar gamma ," kata Schnittman. "Langkah berikutnya adalah untuk menciptakan kerangka kerja di mana pengamatan gamma-ray yang ada dan masa depan dapat digunakan untuk menyempurnakan kedua fisika partikel dan model lubang hitam (Black hole) kami."

 Paper: The Distribution and Annihilation of Dark Matter Around Black Holes