|
Влияние темной материи на гравитационные волны
|
|
|
|
В недавнем исследовании, опубликованном в Physical Review Letters, исследуется влияние сверхлегкой темной материи на излучение с экстремальным соотношением масс (EMRIs), которое может быть обнаружено будущими космическими детекторами гравитационных волн, такими как LISA (космическая антенна лазерного интерферометра). Учитывая многочисленные предполагаемые формы темной материи, ученые исследуют множество подходов к их обнаружению.
|
|
|
|
Это исследование направлено на то, чтобы понять, как ведет себя сверхлегкая темная материя в связи с излучениями с экстремальным соотношением масс (EMRIs). Эти системы состоят из сверхмассивной черной дыры (SMBH) в сочетании с астрономическим телом меньшего размера, которое может быть звездой или другой черной дырой.
|
|
|
|
Гравитационные волны, испускаемые этими системами по мере того, как меньший звездный объект движется по спирали в SMBH, могут указывать на поведение сверхлегкой темной материи в этих системах и вокруг них.
|
|
|
|
Phys.org поговорил с авторами исследования, чтобы лучше понять их работу.
|
|
|
|
Говоря о мотивации команды, стоящей за исследованием, доктор Франсиско Дуке, научный сотрудник Института гравитационной физики имени Макса Планка и первый автор исследования, сказал: "Понимание фундаментальной природы темной материи является одной из главных нерешенных проблем современной физики.
|
|
|
|
|
|
|
"Мы знаем, что она должна существовать, чтобы галактики сформировались и эволюционировали до своего нынешнего состояния. Но темная материя - это просто причудливый способ сказать, что мы понятия не имеем, что это такое, за исключением того, что она слабо взаимодействует с другими частицами в стандартной модели".
|
|
Сверхлегкая темная материя
|
|
|
|
Сверхлегкая темная материя состоит из частиц темной материи малой массы, которые моделируются как скалярные бозоны, не имеющие собственного спина. Это создает скалярное поле, которое равномерно распределяется в пространстве, подобно тому, как температура равномерно распределяется в комнате.
|
|
|
|
Этот тип темной материи представлен в различных формах, таких как нечеткая темная материя и бозонные облака. Эти частицы могут быть в 1028 раз легче электрона.
|
|
|
|
Нечеткая темная материя не собирается в комки так, как это делают обычные частицы темной материи. Скорее, в больших масштабах она демонстрирует волнообразное поведение из-за малой массы частиц. В небольших масштабах нечеткая темная материя может влиять на поведение галактических структур.
|
|
|
|
С другой стороны, бозонные облака находятся вокруг вращающихся черных дыр. Бозонное облако использует энергию черной дыры и увеличивается в размерах, в результате чего энергия рассеивается, а не поглощается черной дырой. Этот процесс известен как сверхизлучение.
|
|
|
|
Если в EMRIs существует какая-либо из этих предполагаемых форм сверхлегкой темной материи, это может изменить гравитационные волны, излучаемые этими системами.
|
|
Релятивистский подход
|
|
|
|
Хотя в более ранних исследованиях изучалось воздействие окружающей среды на EMRIs, они полностью основывались на ньютоновских приближениях. Однако в условиях экстремальной гравитации или при работе с высокими скоростями (близкими к скорости света) релятивистские эффекты игнорировать нельзя.
|
|
|
|
Поэтому исследовательская группа решила использовать полностью релятивистскую концепцию для изучения окружающей среды вокруг EMRIs. Их цель состояла в том, чтобы использовать эту структуру для изучения потерь энергии в EMRIs из-за гравитационных волн инспирации и истощения скалярного поля при взаимодействии с двойной системой.
|
|
|
|
Доктор Родриго Висенте (Rodrigo Vicente), научный сотрудник Института физики высоких энергий Барселоны и соавтор исследования, объяснил их выводы: "По мере того, как черные дыры меньшего размера обращаются по орбите вокруг SMBH, они движутся сквозь темную материю и создают плотный шлейф, похожий на след, оставляемый пловцом в воде". бассейн. Этот след оказывает дополнительное гравитационное притяжение на маленькую черную дыру, называемое динамическим трением, замедляя ее и изменяя сигналы гравитационных волн".
|
|
|
|
Плотность облаков сверхлегкой темной материи вокруг SMBH может в 20 раз превышать плотность золота, что подчеркивает значительное влияние сверхлегкой темной материи на эволюцию EMRIs и других подобных систем.
|
|
LISA и будущие обнаружения
|
|
|
|
Сдвиг в сигналах гравитационных волн, вызванный сверхлегкой темной материей, может быть обнаружен на Земле будущими детекторами, такими как LISA.
|
|
|
|
Доктор Кайо Маседо, профессор Федерального университета Пара и соавтор исследования, пояснил: "LISA, которая, как ожидается, будет запущена Европейским космическим агентством в 2035 году, будет чувствительна к частотам в миллигерцах, что позволит ей наблюдать электромагнитные излучения с высокой точностью. LISA сможет отслеживать работу этих систем в течение недель, месяцев или даже лет, и тогда она идеально подойдет для наблюдения за фазовым сдвигом, вызванным динамическим трением, которое накапливается в течение многих циклов".
|
|
|
|
Однако, если такие эффекты не будут обнаружены, данные LISA могут быть использованы для установления жестких ограничений на существование сверхлегких полей в широком диапазоне масс.
|
|
За пределами темной материи
|
|
|
|
В дополнение к эффекту динамического трения, исследователи также смогли изучить, как по-разному действуют нечеткая темная материя и бозонные облака.
|
|
|
|
Исследователи обнаружили, что в случае нечеткой темной материи вокруг SMBH потери энергии из-за истощения скалярного поля могут превышать потери энергии от излучения гравитационных волн, особенно когда меньший объект удален от SMBH.
|
|
|
|
Использование релятивистской теории также выявило резонансное поведение гравитационных волн, релятивистский эффект, отсутствующий в ньютоновских моделях.
|
|
|
|
Для бозонных облаков они обнаружили, что рассеяние энергии за счет скалярного истощения очень чувствительно к свойствам окружающей среды.
|
|
|
|
Благодаря более точной модели того, как различные типы материи влияют на гравитационные волны, это исследование может значительно продвинуть наше понимание гравитации, открывая жизненно важный путь для изучения темной материи.
|
|
|
|
Говоря о будущей работе, исследователи упоминают о расширении своей базы данных для учета эксцентрических орбит, которые, скорее всего, будут наблюдаться в EMRIs.
|
|
|
|
Они также планируют адаптировать свою релятивистскую базу данных для дисков активных ядер галактик (AGN), которые, как считается, содержат значительное количество темной материи. Поскольку темная материя играет важную роль в формировании крупномасштабных структур, это исследование может внести большую ясность в ее роль во Вселенной.
|
|
|
|
Источник
|
