Введение

Темная материя — это одно из самых загадочных и в то же время повсеместных явлений во Вселенной. Она фактически невидима, поскольку не взаимодействует со светом, однако ее влияние на гравитацию и структуру космоса нельзя игнорировать. Но что если вместо того, чтобы пытаться увидеть темную материю, ученые попробуют ее услышать?

Исследования и открытия

Недавние исследования предполагают, что темная материя может оставить крошечный, но заметный след в гравитационных волнах — колебаниях пространства-времени, которые возникают, когда две черные дыры сталкиваются и сливаются. Однако такое возможно только в том случае, если вращающиеся черные дыры способны «взбивать» темную материю, как масло в масле.

Команда, проводившая это исследование, утверждает, что если две черные дыры сливаются в области, насыщенной облаками темной материи, то гравитационные волны, возникающие в результате этого события, могут нести отпечаток темной материи по всей Вселенной. Это можно сравнить с тем, как кто-то кашляет на концерте Metallica, и этот кашель становится слышен только с помощью самых чувствительных инструментов на фоне громкой музыки.

Технологии на службе науки

К счастью, когда речь идет о детекции гравитационных волн от столкновений черных дыр, инструменты человечества, такие как LIGO (Лазерный интерферометр гравитационных волн), становятся все более чувствительными. В преддверии времени, когда такие отпечатки могут стать более заметными, команда разработала метод, который предсказывает, какой формы будут гравитационные волны, проходящие через темную материю, а не через пустое пространство.

«Использование черных дыр для поиска темной материи было бы фантастическим», — сказал член команды Родриго Висенте, исследователь из GRAPPA (Гравитационная астрофизика Амстердама). «Мы смогли бы исследовать темную материю на масштабах, которые никогда не были доступны ранее».

Тайна темной материи

Темная материя представляет собой настоящую загадку, поскольку, несмотря на свою невидимость, она «перевешивает» обычную материю примерно в пять раз. Ее отсутствие взаимодействия со светом означает, что она не может состоять из протонов, нейтронов и электронов — частиц, из которых состоят атомы. Атомы формируют всю «обычную материю», которую мы видим вокруг нас, от звезд и планет до устройств, с помощью которых мы читаем эту статью, и наших собственных тел. Другими словами, атомы взаимодействуют со светом (или, более технически, с электромагнитным излучением).

Фактически, единственный способ, которым астрономы знают о существовании темной материи, — это ее взаимодействие с гравитацией и то, как это взаимодействие искривляет пространство-время, косвенно влияя на обычную материю и свет.

Поиск новых частиц

Учитывая это, ученые занимаются поиском частиц, выходящих за пределы Стандартной модели физики частиц, которые могут объяснить темную материю. Эти частицы могут иметь широкий диапазон потенциальных масс и свойств, и одной из гипотетических частиц является легкий скаляр, предполагающий массу, значительно меньшую, чем у электрона. Одна из характеристик легкого скаляра заключается в том, что темная материя, состоящая из этих частиц, будет вести себя как согласованные волны вокруг черных дыр.

Как темная материя влияет на гравитационные волны

Вокруг вращающейся черной дыры вращательная энергия будет передаваться легкой скалярной темной материи, усиливая ее плотность, почти как весло, взбивающее крем в масло. Если это «масло» из темной материи станет достаточно плотным, оно может повлиять на гравитационные волны от сливающихся черных дыр, оставляя характерный след.

После того, как исследователи определили, как будет выглядеть эта подпись, Висенте и его коллеги просматривали данные, собранные LIGO и его сопутствующими детекторами гравитационных волн, KAGRA (Детектор гравитационных волн Камиока) и Virgo, сосредоточив внимание на 28 самых четких сигналах от сливающихся черных дыр. Из них 27, казалось, произошли от слияний, произошедших в относительном вакууме космоса. Однако один сигнал, GW190728, впервые зарегистрированный 19 июля 2019 года и являющийся результатом слияния бинарных черных дыр с общей массой в 20 раз больше солнечной и находящимися на расстоянии примерно 8 миллиардов световых лет, показался несущим характерный след от этого слияния, происходящего в области плотной, «масляной» темной материи.

Заключение

Команда, стоящая за этим исследованием, подчеркивает, что это не может считаться положительным обнаружением темной материи, но все же указывает нам, на что обращать внимание и куда направлять дальнейшие исследования. Это может стать все более полезным, поскольку детекторы темной материи на Земле продолжают свою пятую операционную кампанию с увеличенной чувствительностью. «Мы знаем, что темная материя окружает нас. Она просто должна быть достаточно плотной, чтобы мы могли увидеть ее эффекты», — отметил руководитель команды Хосе Ауррекоэтxea из Массачусетского технологического института. «Черные дыры предоставляют механизм для увеличения этой плотности, которую мы теперь можем искать, анализируя гравитационные волны, излучаемые при их слиянии».