Astronomowie od dawna wiedzą o istnieniu ciemnej materii, jednak jej prawdziwa natura wciąż pozostaje dla nich tajemnicą. Teraz naukowcy zaprezentowali nową metodę poszukiwania tej nieuchwytnej materii poprzez analizę fal grawitacyjnych emitowanych podczas zderzenia czarnych dziur. Porównując te kosmiczne fale z nowymi modelami teoretycznymi, naukowcy mogą potencjalnie odróżnić Fuzje czarnych dziur zachodzące w pustej przestrzeni od tych zachodzących w gęstych chmurach ciemnej materii.
Ten rozwój oznacza ważną zmianę w poszukiwaniu ciemnej materii. Jeśli poprzednie wysiłki koncentrowały się na bezpośrednim rejestrowaniu cząstek lub obserwacjach elektromagnetycznych, to podejście to wykorzystuje ekstremalne środowiska grawitacyjne czarnych dziur jako naturalne laboratoria. Przekształca astronomię fal grawitacyjnych z instrumentu do obserwacji kolizji w sondę do badania niewidzialnej struktury wszechświata.
Trudna do uchwycenia natura ciemnej materii
Ciemna materia stanowi około 85% całej materii we wszechświecie, jednak jest całkowicie niewidoczna dla tradycyjnych teleskopów. W przeciwieństwie do zwykłej materii nie emituje, nie pochłania ani nie odbija światła, ani nie oddziałuje z polami magnetycznymi. Jej obecność wynika wyłącznie z wpływu grawitacyjnego — w szczególności z tego, jak wypacza światło z odległych galaktyk (soczewkowanie Grawitacyjne) i wpływa na prędkość obrotową galaktyk.
Pomimo dziesięcioleci badań podstawowy skład ciemnej materii pozostaje jedną z największych tajemnic fizyki. Według jednej z wiodących teorii ciemna materia może składać się z * * lekkich cząstek skalarnych * * – cząstek znacznie lżejszych niż elektrony. W przeciwieństwie do ciężkich cząstek, przewiduje się, że te lekkie Skalary zachowają się nie tylko jako pojedyncze obiekty, ale także jako spójne fale, szczególnie w pobliżu masywnych i szybko wirujących czarnych dziur.
Jak czarne dziury wzmacniają ciemną materię
Nowe badanie, prowadzone przez fizyka z MIT Josu Aurrekoetxea i współpracowników, koncentruje się na zjawisku znanym jako super-emisja.
Kiedy szybko obracająca się czarna dziura jest otoczona chmurą takich lekkich fal skalarnych ciemnej materii, energia rotacji czarnej dziury może być przenoszona na fale. Proces ten wzmacnia ciemną materię, zwiększając jej gęstość do ekstremalnych poziomów. Naukowcy porównują ten efekt do ubijania śmietany w masło: interakcja koncentruje rozproszone fale w gęstym, ustrukturyzowanym środowisku wokół czarnej dziury.
Jeśli taka gęsta Chmura istnieje, musi pozostawić wyraźny “odcisk palca” na falach grawitacyjnych generowanych przez połączenie dwóch takich czarnych dziur. Te zmarszczki w czasoprzestrzeni niosą informacje o środowisku, w którym nastąpiło połączenie. Modelując, jak te kształty fal powinny wyglądać w środowisku bogatym w ciemną materię w porównaniu z próżnią, naukowcy mogą teraz szukać tych specyficznych sygnatur w dostępnych danych.
Analiza danych kosmicznych
Aby przetestować tę teorię, zespół przeanalizował sygnały fal grawitacyjnych zarejestrowane podczas pierwszych trzech kampanii obserwacyjnych globalnej sieci * * LIGO-Virgo-KAGRA (LVK)**. Przyjrzeli się 28 najczystszym sygnałom z fuzji czarnych dziur, aby sprawdzić, czy którykolwiek z nich pasuje do przewidywanego odcisku palca ciemnej materii.
Wyniki były w dużej mierze zgodne ze standardowymi modelami:
** * 27 sygnałów * * okazało się pochodzić z czarnych dziur łączących się w próżni, bez oznak ingerencji ciemnej materii.
* * * Jeden sygnał * * zidentyfikowany jako * * GW 190728 * * wykazywał wzorce, które * mogły * wskazywać na obecność chmury ciemnej materii.
Jednak naukowcy ostrzegają, że ta pojedyncza wartość odstająca nie jest potwierdzonym wykryciem. Istotność statystyczna jest obecnie zbyt niska, aby twierdzić o odkryciu. Zamiast tego GW 190728 służy jako dowód koncepcji, pokazując, że nowa metoda jest w stanie zidentyfikować potencjalnych kandydatów do dalszych badań.
Nowa era odkryć
Główną wartością tego badania jest jego metodologia. Bez tych nowych modeli kształtów fal naukowcy mogliby wcześniej błędnie sklasyfikować Fuzje zachodzące w środowiskach ciemnej materii jako standardowe zdarzenia w próżni. To nowe podejście pozwala fizykom systematycznie przeglądać dane w poszukiwaniu wskazówek na temat nowej fizyki, która wcześniej była niewidoczna.
“Bez modeli fal, takich jak nasze, moglibyśmy uchwycić Fuzje czarnych dziur w środowiskach ciemnej materii, ale systematycznie klasyfikować je jako występujące w próżni” — zauważył dr Aurrecoeta.
Ponieważ detektory LVK nadal zbierają dane z rosnącą czułością, potencjał odkryć rośnie. Dr Soumen Roy z Katolickiego Uniwersytetu w Leuven zauważył, że takie podejście otwiera ekscytującą drogę do badania ciemnej materii na skalach znacznie mniejszych niż wcześniej było to możliwe. Dr Rodrigo Vicente z Uniwersytetu w Amsterdamie dodał, że wykorzystanie czarnych dziur do poszukiwania ciemnej materii pozwala fizykom badać obszary Wszechświata, które w innym przypadku byłyby niedostępne.
Zawarcie
Chociaż ciemna materia nie została jeszcze bezpośrednio wykryta za pomocą fal grawitacyjnych, badanie to stanowi potężne nowe narzędzie do jej identyfikacji. Udoskonalając naszą zdolność do interpretowania” pisku ” łączących się czarnych dziur, naukowcy mogą teraz słuchać subtelnego ECHA niewidzialnego wszechświata. W miarę gromadzenia się danych obserwacyjnych te kosmiczne zderzenia mogą w końcu ujawnić ukrytą strukturę ciemnej materii.
