Чёрная дыра-пинбол: как вращение порождает тёмную материю экспресс
Свет, проходя мимо чёрной дыры, попадает в гравитационную ловушку: его траектория искривляется, и частица мечется по почти замкнутой орбите, словно шарик в пинболе. Чем дольше длится этот забег, тем больше шансов, что от толчков магнитных полей фотон превратится в аксион — частицу-невидимку, из которой, вероятно, состоит тёмная материя. Такую возможность предсказал Фрэнк Вильчек.
Если у активных чёрных дыр высокоэнергетичный свет тускнеет сильнее расчётного, значит, часть его превратилась в аксионы. Так космический пинбол становится дешёвой лабораторией для поиска тёмной материи, заменяя наземные эксперименты.
Оригинальная аннотация
как её написали авторы, на английском arXiv:2605.22696
We investigate photon-axion conversion in the vicinity of rotating Kerr black holes where strong gravity traps photons on near-circular trajectories, effectively enhancing the path length. We explore the observable signatures of such a conversion near the photon region. The process, driven by ambient magnetic fields, is significantly more efficient around supermassive black holes such as M87*, since the luminosity of photons increases with the mass of the BH. By numerically evaluating photon path lengths (on which the conversion depends), we analyze how key parameters-photon frequency, axion mass, photon-axion coupling, magnetic field strength, plasma density, and black hole spin-affect the conversion probability and the resultant dimming of photon spectral luminosity. We find that the conversion is most efficient at high frequencies (X-rays and gamma rays), while the frequency window associated with efficient conversion widens with an increase in the photon-axion coupling and a decrease in the electron density and the axion mass. The magnitude of dimming of the photon spectral luminosity depends primarily on the magnetic field, the photon-axion coupling and the BH spin. Our study reveals that rotating black holes generally exhibit enhanced dimming compared to static ones. Thus, if future telescopes achieving a resolution $$\sim 10^{-5}$$ arcsec in the X-ray/gamma-ray band detect a dimming of the photon spectral luminosity, then they can provide interesting constraints on the axion mass and its coupling with photons.
В пинболе шарик может крутиться несколько секунд; у чёрной дыры M87* свет задерживается всего на миллисекунду, но за это время он преодолевает десятки тысяч километров — и этого мгновения достаточно, чтобы родился аксион, который потом беспрепятственно пройдёт сквозь целую планету.