Plasma-Induced Modifications of the Shadows of Rotating Bardeen Black Holes with Perfect Fluid Dark Matter

Zwarte gaten worden vaak voorgesteld als kosmische stofzuigers, onzichtbare punten van geen terugkeer waar de zwaartekracht zo sterk is dat zelfs licht niet kan ontsnappen. Toch zien we, wanneer we naar de supermassieve zwarte gaten in de centra van sterrenstelsels kijken, geen leegte. In plaats daarvan zien we een donkere silhouet, een schaduw, omringd door een ring van gloeiend licht. Deze schaduw is geen fysiek object, maar een regio waar lichtstralen, die langs de rand van het zwarte gat glijden, voor altijd worden gevangen. De vorm en grootte van deze schaduw hangen af van de massa van het zwarte gat, hoe snel het draait en de aard van de zwaartekracht die het bij elkaar houdt. Decennialang hebben wetenschappers deze schaduwen gebruikt om de wetten van de fysica te testen, om te controleren of het universum zich precies gedraagt zoals Albert Einstein het voorspelde, of dat er subtiele afwijkingen zijn die wijzen op nieuwe fysica.

Echter, de ruimte rond een zwart gat is zelden leeg. Het is vaak gevuld met heet, geïoniseerd gas, bekend als plasma, dat werkt als een lens en licht buigt op manieren die een vacuüm niet doet. Bovendien zijn zwarte gaten ingebed in enorme halo's van donkere materie, een onzichtbare substantie die het grootste deel van de massa van het universum vormt, maar alleen via zwaartekracht met licht interageert. Hoewel we weten dat donkere materie bestaat, weten we niet precies waar het uit bestaat. Om de ware vorm van de schaduw van een zwart gat te begrijpen, moeten wetenschappers rekening houden met zowel de onzichtbare halo van donkere materie als het zichtbare plasma-gas dat het monster omringt. Als ze deze omgevingsfactoren negeren, zouden ze de effecten van het omringende gas kunnen verwarren met een verandering in het zwarte gat zelf.

In een recente studie hebben onderzoekers Gowtham Sidharth M en Sanjit Das geprobeerd nauwkeurig in kaart te brengen hoe deze omgevingsfactoren de schaduw van een specifiek type zwart gat vervormen. Ze concentreerden zich op een theoretisch model genaamd een Bardeen-zwart gat. In tegenstelling tot de klassieke zwarte gaten die in standaard tekstboeken worden beschreven, die een singulariteit bevatten — een punt van oneindige dichtheid waar de wetten van de fysica instorten — is het Bardeen-model "regulier", wat betekent dat het een glad centrum heeft zonder singulariteit. Dit model wordt vaak gebruikt om te onderzoeken hoe zwarte gaten zich zouden kunnen gedragen als het universum deze wiskundige oneindigheden vermijdt. De onderzoekers stelden zich dit reguliere zwarte gat voor terwijl het draaide, omringd door een halo van perfecte vloeistof-donkere materie, en ondergedompeld in een zee van plasma. Hun doel was om te berekenen hoe de schaduw eruit zou zien onder deze gecombineerde omstandigheden en om te zien of huidige telescopen deze effecten van de eigen eigenschappen van het zwarte gat kunnen onderscheiden.

Om dit te doen, simuleerden het team de paden van lichtstralen die door deze complexe omgeving reizen. Ze beschouwden drie verschillende manieren waarop het plasma rond het zwarte gat verdeeld kon zijn. In het eerste scenario was het plasma uniform, zoals een dikke mist met overal dezelfde dichtheid. In het tweede scenario was het plasma dichter bij het zwarge gat en dunner naarmate men verder weg kwam, vergelijkbaar met hoe de atmosfeer dunner wordt naarmate men hoger komt. In het derde, complexere scenario veranderde de dichtheid van het plasma afhankelijk van zowel de afstand tot het zwarte gat als de hoek waaronder men keek. Ze berekenden vervolgens hoe deze verschillende plasma-arrangementen, gecombineerd met de halo van donkere materie, het licht zouden buigen en de vorm van de schaduw zouden veranderen.

De resultaten toonden aan dat de omgeving een significante rol speelt bij het vormgeven van wat we zien. De onderzoekers ontdekten dat de halo van donkere materie de schaduw op een unieke, tweezijdige manier beïnvloedt. Naarmate de hoeveelheid donkere materie toeneemt, krimpt de schaduw eerst, maar als de dichtheid van de donkere materie een bepaald kritiek punt passeert, begint de schaduw weer te groeien. Dit suggereert dat de donkere materie fungeert als een extra bron van zwaartekracht die de effectieve massa van het zwarte gat op een niet-lineaire manier verandert. Ook het plasma liet een duidelijke afdruk achter. Wanneer het plasma uniform was, veroorzaakte het een merkbare vervorming in de vorm van de schaduw. Wanneer het plasma dichter bij het zwarte gat was, was het effect het sterkst dicht bij het centrum en nam het af naarmate het licht naar buiten reisde. Interessant genoeg deed de manier waarop het plasma was gerangschikt ertoe: een plasma dat veranderde met de hoek veranderde primair de grootte van de schaduw, terwijl een plasma dat veranderde met de afstand voornamelijk de vorm beïnvloedde.

Het team nam deze theoretische schaduwen vervolgens en vergeleek ze met echte waarnemingen gemaakt door de Event Horizon Telescope, het instrument dat de eerste beelden vastlegde van de zwarte gaten in M87 en ons eigen sterrenstelsel, Sagittarius A*. Ze keken naar twee specifieke metingen: hoe circulair de schaduw leek en hoe de diameter zich verhield tot wat een eenvoudig, niet-draaiend zwart gat zou produceren. Door te controleren welke combinaties van donkere materie- en plasma-parameters schaduwen produceerden die binnen de foutmarges van de telescoopgegevens pasten, waren ze in staat om veel onmogelijke scenario's uit te sluiten. Ze vonden dat de spin van het zwarte gat en de hoek waaronder we het bekijken de dominante factoren zijn die de schaduw niet-circulair maken, terwijl de magnetische eigenschappen van het zwarte gat-model de meest gevoelige factor zijn bij het veranderen van de totale grootte.

Uiteindelijk toont de studie aan dat we niet simpelweg naar de schaduw van een zwart gat kunnen kijken en onmiddellijk de interne geheimen van het zwarte gat kunnen kennen. De omringende gassen en donkere materie werken als een sluier die het beeld dat we ontvangen, modificeert. Echter, door deze omgevingsfactoren zorgvuldig te modelleren, kunnen wetenschappers die sluier oplichten. De onderzoekers lieten zien dat door verschillende metingen van de schaduw te combineren, het mogelijk is om de eigenschappen van de halo van donkere materie en de plasma-dichtheid tegelijkertijd te bepalen als de spin en de magnetische lading van het zwarte gat. Dit werk biedt een realistischer instrumentarium voor het interpreteren van toekomstige hoge-resolutiebeelden, zodat we, wanneer we naar de schaduwen van deze kosmische reuzen kijken, ook echt het verhaal van het zwarte gat zelf lezen, en niet alleen het verhaal van het gas en stof dat het omringt.