Астрономи давно знають про існування темної матерії, проте її справжня природа як і раніше залишається для них загадкою. Тепер дослідники представили новий метод пошуку цієї невловимої речовини шляхом аналізу гравітаційних хвиль, що випромінюються при зіткненні чорних дір. Порівнюючи ці космічні брижі з новими теоретичними моделями, вчені можуть потенційно відрізнити злиття чорних дір, що відбуваються в порожньому просторі, від тих, що відбуваються всередині щільних хмар темної матерії.
Цей розвиток подій знаменує важливий зсув у пошуках темної матерії. Якщо попередні зусилля були зосереджені на безпосередній реєстрації частинок або електромагнітних спостереженнях, то цей підхід використовує екстремальні гравітаційні середовища чорних дір як природні лабораторії. Він перетворює гравітаційно-хвильову астрономію з інструменту спостереження за зіткненнями в зонд для вивчення невидимої структури Всесвіту.
Важковловима природа темної матерії
Темна матерія становить приблизно * * 85% всієї речовини у Всесвіті**, однак вона повністю невидима для традиційних телескопів. На відміну від звичайної матерії, вона не випромінює, не поглинає і не відбиває світло, а також не взаємодіє з магнітними полями. Її наявність виводиться виключно з гравітаційного впливу-зокрема, з того, як вона викривляє світло від далеких галактик (гравітаційне лінзування) і впливає на швидкість обертання галактик.
Незважаючи на десятиліття досліджень, фундаментальний склад темної матерії залишається однією з найбільших загадок фізики. Згідно з однією з провідних теорій, темна матерія може складатися з легких скалярних частинок — частинок, значно легше електронів. На відміну від важких частинок, ці легкі скаляри, як передбачається, поводяться не тільки як окремі об’єкти, але і як узгоджені хвилі, особливо поблизу масивних і швидко обертаються чорних дір.
Як чорні діри посилюють темну матерію
Нове дослідження, очолюване фізиком з міт Хосу Ауррекоета (Josu aurrekoetxea) і його колегами, сфокусовано на явищі, відомому як сверхізлученіе.
Коли швидко обертається чорна діра оточена хмарою таких легких скалярних хвиль темної матерії, енергія обертання чорної діри може передаватися хвилям. Цей процес підсилює темну матерію, збільшуючи її щільність до екстремальних рівнів. Дослідники порівнюють цей ефект з збиванням вершків в масло: взаємодія концентрує дифузні хвилі в щільне, структуроване середовище навколо чорної діри.
Якщо така щільна хмара існує, вона повинна залишити чіткий «відбиток» на гравітаційних хвилях, що утворюються при злитті двох таких чорних дір. Ці брижі в просторі-часі несуть інформацію про навколишнє середовище, в якому відбулося злиття. Моделюючи, як ці форми хвиль повинні виглядати в середовищі, багатому темною речовиною, порівняно з вакуумом, вчені тепер можуть шукати ці специфічні підписи в наявних даних.
Аналіз космічних даних
Для перевірки цієї теорії команда проаналізувала сигнали гравітаційних хвиль, записані в перших трьох спостережних кампаніях глобальної мережі LIGO-Virgo-KAGRA (lvk). Вони розглянули 28 найбільш чітких сигналів від злиття чорних дір, щоб перевірити, чи відповідають будь-які з них передбачуваному відбитку темної матерії.
Результати в основному узгоджувалися зі стандартними моделями:
** * 27 сигналів * * виявилися похідними від чорних дір, що зливаються у вакуумі, без ознак втручання темної матерії.
* * * Один сигнал, ідентифікований як GW 190728**, показав закономірності, які * могли * вказувати на наявність Хмари темної матерії.
Однак дослідники застерігають, що цей єдиний викид не є підтвердженим виявленням. Статистична значимість в даний час занадто низька, щоб заявляти про відкриття. Натомість GW 190728 служить доказом концепції, демонструючи, що новий метод здатний ідентифікувати потенційних кандидатів для подальшого вивчення.
Нова ера відкриттів
Головна цінність цього дослідження полягає в його методології. Без цих нових моделей форм хвиль вчені могли б раніше помилково класифікувати злиття, що відбуваються в середовищах темної матерії, як стандартні події у вакуумі. Цей новий підхід дозволяє фізикам систематично переглядати дані, шукаючи натяки на нову фізику, яка раніше була невидимою.
“Без моделей форм хвиль, подібних нашим, ми могли б фіксувати злиття чорних дір в середовищах темної матерії, але систематично класифікувати їх як такі, що відбулися у вакуумі», — зазначив доктор Ауррекоета.
Оскільки Детектори LVK продовжують збирати дані зі зростаючою чутливістю, потенціал для відкриттів зростає. Доктор Сюмен Рой (Soumen Roy) з католицького університету Левена зазначив, що цей підхід відкриває захоплюючий шлях для вивчення темної матерії на масштабах, значно менших, ніж це було можливо раніше. Доктор Родріго Вінсенте (Rodrigo Vicente) з Амстердамського університету додав, що використання чорних дір для пошуку темної матерії дозволяє фізикам досліджувати області Всесвіту, які в іншому випадку були б недоступні.
Укладення
Хоча темна матерія ще не була безпосередньо виявлена за допомогою гравітаційних хвиль, це дослідження забезпечує потужний новий інструмент для її ідентифікації. Уточнюючи нашу здатність інтерпретувати» писк ” чорних дір, що зливаються, вчені тепер можуть слухати тонкі відлуння невидимого Всесвіту. Оскільки спостережні дані накопичуються, ці космічні зіткнення можуть нарешті розкрити приховану структуру темної матерії.
