Детекторы гравитационных волн как зонды темной материи
Темная материя является краеугольным камнем современного понимания Вселенной. Тем не менее, элементная составляющая темной материи неизвестна, и ее будущее открытие остается основной целью в области космологии и физики элементарных частиц. Команда физиков-теоретиков из Института фундаментальных исследований Тата в Мумбаи, Индийского института науки в Бангалоре и Калифорнийского университета в Беркли предложили новый метод исследования темной материи. Этот метод использует поиск гравитационных волн для поиска темной материи через ее предсказанное воздействие на нейтронные звезды.
Сулагна Бхаттачарья, аспирант TIFR и ведущий автор исследования, опубликованного в Physical Review Letters, объясняет: частицы темной материи в галактике могут накапливаться в нейтронных звездах из-за их негравитационных взаимодействий. Накопленные частицы образуют плотное ядро, которое коллапсирует в крохотную черную дыру в сценарии, когда частица темной материи тяжелая и не имеет аналога-античастицы; сценарий, который оказалось трудно проверить иначе в лабораторных экспериментах.
Для большого разрешенного диапазона масс частиц темной материи исходная зародышевая черная дыра поглощает свою родительскую нейтронную звезду и превращает ее в черную дыру с массой нейтронной звезды. Важно отметить, что теории звездной эволюции предсказывают, что черные дыры образуются, когда нейтронные звезды превышают массу Солнца примерно в 2,5 раза, как это закодировано в пределе Толмана-Оппенгеймера-Волкова, но здесь темная материя приводит к образованию черных дыр малой массы, которые обычно меньше. чем максимальная нейтронная звезда.
Анупам Рэй, один из руководителей работы, отмечает, что «при параметрах темной материи, которые еще не исключены ни одним другим экспериментом, старые двойные системы нейтронных звезд в плотных областях галактики должны были эволюционировать в двойные системы черных дыр. Если мы не увидим никаких аномально маломассивных слияний, это наложит новые ограничения на темную материю». Интересно, что некоторые из событий, обнаруженных LIGO, например, GW190814 и GW190425, по-видимому, связаны как минимум с одним компактным объектом малой массы. Заманчивое предположение, основанное на новаторских работах Хокинга и Зельдовича 1960-х годов, заключается в том, что черные дыры малой массы могут иметь первобытное происхождение, то есть быть созданы чрезвычайно редкими, но большими флуктуациями плотности в очень ранней Вселенной.
Руководствуясь этими соображениями, коллаборация LIGO предприняла целевые поиски черных дыр малой массы и установила ограничения. Настоящее исследование Бхаттачарья и его коллег показывает, что тот же факт необнаружения слияний малой массы с помощью LIGO также накладывает строгие ограничения на темную материю частиц. Ограничения, представленные в этом исследовании, имеют важное значение, поскольку они исследуют пространство параметров, которое находится далеко за пределами досягаемости современных наземных детекторов темной материи, таких как XENON1T, PANDA, LUX-ZEPLIN, особенно для тяжелых частиц темной материи.
Ожидается, что слияния черных дыр малой массы можно будет обнаружить не только с помощью существующих детекторов гравитационных волн, таких как LIGO, VIRGO и KAGRA, но также с помощью будущих детекторов, таких как Advanced LIGO, Cosmic Explorer и телескоп Эйнштейна. Принимая во внимание запланированные обновления текущих экспериментов с гравитационными волнами и учитывая их повышенную чувствительность и время наблюдения, исследование прогнозирует ограничения, которые могут быть получены в течение следующего десятилетия.
В частности, исследование показывает, что наблюдения гравитационных волн могут исследовать чрезвычайно слабые взаимодействия тяжелой темной материи, расположенные значительно ниже так называемого «дна нейтрино», где обычным детекторам темной материи приходится бороться с фоном астрофизических нейтрино. Вместо этого, если в будущем будут обнаружены экзотические черные дыры малой массы, это может стать ценным намеком на природу темной материи. Авторы оптимистично отмечают, что «детекторы гравитационных волн, которые уже доказали свою полезность для прямого обнаружения черных дыр и гравитационных волн, предсказанных Эйнштейном, могут также стать мощным инструментом для проверки теорий темной материи».
