Astronomové o existenci temné hmoty vědí již dlouho, ale její skutečná povaha je pro ně stále záhadou. Vědci nyní představili novou metodu hledání této nepolapitelné látky analýzou gravitačních vln emitovaných při srážce černých děr. Porovnáním těchto vesmírných vlnek s novými teoretickými modely mohou vědci potenciálně odlišit fúze černých děr, ke kterým dochází v prázdném prostoru, od těch, které se vyskytují uvnitř hustých mraků temné hmoty.
Tento vývoj událostí znamená důležitý posun při hledání temné hmoty. Pokud se předchozí úsilí zaměřilo na přímou registraci částic nebo elektromagnetických pozorování, pak tento přístup využívá extrémní gravitační prostředí černých děr jako přirozené laboratoře. Přeměňuje astronomii gravitačních vln z nástroje pro pozorování kolizí na sondu pro studium neviditelné struktury vesmíru.
Obtížná povaha temné hmoty
Temná hmota tvoří přibližně * * 85% veškeré hmoty ve vesmíru**, ale pro tradiční dalekohledy je zcela neviditelná. Na rozdíl od běžné hmoty nevyzařuje, neabsorbuje ani neodráží světlo ani interaguje s magnetickými poli. Její přítomnost je odvozena výhradně z gravitačního vlivu-zejména z toho, jak zakřivuje světlo ze vzdálených galaxií (gravitační čočka) a ovlivňuje rychlost rotace galaxií.
Navzdory desetiletím výzkumu zůstává základní složení temné hmoty jednou z největších záhad fyziky. Podle jedné z předních teorií může být temná hmota složena z * * lehkých skalárních částic * * – částic, které jsou výrazně lehčí než elektrony. Na rozdíl od těžkých částic se tyto lehké skaláry, jak se předpovídá, chovají nejen jako samostatné objekty, ale také jako koherentní vlny, zejména v blízkosti masivních a rychle rotujících černých děr.
Jak černé díry posilují temnou hmotu
Nová studie vedená fyzikem mit Hosem Aurrecoetou (José Aurrekoetxea) a jeho kolegy se zaměřuje na jev známý jako super exkomunikace.
Když je rychle rotující černá díra obklopena mrakem z takových lehkých skalárních vln temné hmoty, rotační energie černé díry může být přenášena na vlny. Tento proces zesiluje temnou hmotu a zvyšuje její hustotu na extrémní úrovně. Výzkumníci přirovnávají tento efekt ke šlehání smetany do oleje: interakce koncentruje difúzní vlny do hustého, strukturovaného prostředí kolem černé díry.
Pokud takový hustý mrak existuje, měl by zanechat zřetelný “otisk” na gravitačních vlnách generovaných spojením dvou takových černých děr. Tyto vlnky v časoprostoru nesou informace o prostředí, ve kterém došlo ke sloučení. Při modelování toho, jak by tyto vlnové formy měly vypadat v prostředí bohatém na temnou hmotu ve srovnání s vakuem, mohou nyní vědci hledat tyto specifické podpisy v dostupných datech.
Analýza kosmických dat
Pro ověření této teorie tým analyzoval signály gravitačních vln zaznamenané během prvních tří pozorovacích kampaní globální sítě LIGO-Virgo-KAGRA (LVK). Podívali se na 28 nejjasnějších signálů z fúzí černých děr, aby zkontrolovali, zda některé z nich odpovídají předpovídanému otisku temné hmoty.
Výsledky se většinou shodovaly se standardními modely:
** * 27 signálů * * se ukázalo, že pocházejí z černých děr, které se spojují ve vakuu, bez známek rušení temné hmoty.
* * * Jeden signál * * identifikovaný jako * * GW 190728 * * ukázal vzory, které *mohly * naznačovat přítomnost mraku temné hmoty.
Vědci však varují, že tento jediný emise není potvrzeným zjištěním. Statistický význam je v současnosti příliš nízký na to, aby se o objevu mluvilo. Místo toho GW 190728 slouží jako důkaz konceptu a ukazuje, že nová metoda je schopna identifikovat potenciální kandidáty pro další studium.
Nová éra objevů
Hlavní hodnotou tohoto výzkumu je jeho metodologie. Bez těchto nových modelů forem vln by vědci mohli dříve mylně klasifikovat fúze, ke kterým dochází v prostředích temné hmoty, jako standardní události ve vakuu. Tento nový přístup umožňuje fyzikům systematicky procházet data a hledat náznaky nové fyziky, která byla dříve neviditelná.
“Bez modelů forem vln, jako jsou ty naše, bychom mohli zachytit fúze černých děr v prostředích temné hmoty, ale systematicky je klasifikovat jako ty, které se staly ve vakuu,” poznamenal Dr. Aurrecoeta.
Jak detektory LVK pokračují ve sběru dat s rostoucí citlivostí, potenciál objevů roste. Dr. Xumen Roy z Katolické univerzity v Lovani poznamenal, že tento přístup otevírá vzrušující cestu ke studiu temné hmoty v mnohem menším měřítku, než bylo dříve možné. Dr. Rodrigo Vicente z Amsterdamské univerzity dodal, že použití černých děr k nalezení temné hmoty umožňuje fyzikům prozkoumat oblasti vesmíru, které by jinak nebyly dostupné.
Závěr
Přestože temná hmota ještě nebyla přímo detekována gravitačními vlnami, tato studie poskytuje silný nový nástroj pro její identifikaci. Objasněním naší schopnosti interpretovat “pískání” splývajících černých děr mohou vědci nyní poslouchat jemné ozvěny neviditelného vesmíru. S hromaděním pozorovacích dat mohou tyto kosmické srážky konečně odhalit skrytou strukturu temné hmoty.
