|
Гравитационные волны позволят обнаружить темную материю
|
|
|
|
Считается, что темная материя составляет большую часть материи во Вселенной, но единственный способ ее взаимодействия с окружающей средой — это гравитация. Если две сталкивающиеся черные дыры проходят по спирали через плотную область темной материи и сливаются, гравитационные волны, распространяющиеся в пространстве и времени, могут нести отпечаток этой темной материи. Теперь физики, возможно, смогут обнаружить такие отпечатки темной материи в гравитационных волнах, регистрируемых на Земле.
|
|
|
|
Исследователи из Массачусетского технологического института и Европы разработали метод, позволяющий предсказывать, как должна выглядеть гравитационная волна, если бы она была создана черными дырами, движущимися сквозь темную материю, а не через пустое пространство. Они применили этот метод к общедоступным данным о гравитационных волнах, ранее записанным LIGO-Virgo-KAGRA (LVK), глобальной сетью обсерваторий, которые регистрируют гравитационные волны от слияний черных дыр и других далеких астрофизических источников.
|
|
|
|
Исследователи проанализировали сигналы гравитационных волн, зарегистрированные за первые три сеанса наблюдений телескопа LVK. Из 28 наиболее четких сигналов команда обнаружила, что 27 исходили от черных дыр, которые слились в вакууме, как и ожидали физики. Но характер одного из сигналов, GW190728, показал возможные признаки присутствия темной материи.
|
|
|
|
Ученые подчеркивают, что они не обнаружили темной материи. Скорее, новый метод предлагает новый способ анализа данных гравитационных волн на предмет наличия темной материи, которую физики затем смогут подтвердить другими методами.
|
|
|
|
|
|
|
«Мы знаем, что темная материя существует вокруг нас. Она просто должна быть достаточно плотной, чтобы мы могли увидеть ее воздействие», — говорит Хосу Ауррекоэчеа, научный сотрудник кафедры физики Массачусетского технологического института. «Черные дыры обеспечивают механизм для увеличения этой плотности, который мы теперь можем искать, анализируя гравитационные волны, испускаемые при их слиянии».
|
|
|
|
Ауррекоэчеа и его коллеги сообщают о результатах своего исследования, опубликованного сегодня в журнале Physical Review Letters. Соавторами исследования являются член LVK Сумен Рой из Католического университета Лувена (UCLouvain) в Бельгии, Родриго Висенте из Амстердамского университета, Кэти Клаф из Университета королевы Марии в Лондоне и Педро Феррейра из Оксфордского университета.
|
|
Темное притяжение
|
|
|
|
Темная материя — это невидимая, гипотетическая форма материи, которая, в отличие от обычной повседневной материи, не взаимодействует с электромагнитной силой. Темная материя может проходить сквозь свет, магнитные поля и любую другую форму энергии в электромагнитном спектре, не оставляя следа. Единственное доказательство существования темной материи — это ее видимое взаимодействие с еще одной силой: гравитацией.
|
|
|
|
Наблюдая за тем, как гравитация искривляется вокруг далеких галактик, астрономы предположили, что должна существовать дополнительная сила, помимо собственного гравитационного притяжения галактик, чтобы объяснить искривление полей, или «линзирование». Физики предполагают, что эта дополнительная сила — это тёмная материя, которая может составлять более 85% всей материи во Вселенной. Но что именно представляет собой тёмная материя, является предметом ожесточённых дискуссий, и теории о частицах тёмной материи сильно различаются по размеру и свойствам.
|
|
|
|
Один из предполагаемых классов тёмной материи состоит из «лёгких скалярных» частиц, масса которых на много порядков меньше массы электрона. Теоретики предсказывают, что такая тёмная материя должна вести себя не только как частицы, но и как скоординированные волны при движении вблизи чёрных дыр.
|
|
|
|
Когда волны тёмной материи соприкасаются с быстро вращающейся чёрной дырой, физики предсказывают, что вращательная энергия чёрной дыры может передаваться тёмной материи, усиливая её. Это явление, известное как сверхизлучение, взбивает волны до чрезвычайно высоких плотностей тёмной материи, подобно взбиванию сливок в масло.
|
|
|
|
При достаточно высокой плотности лёгкая скалярная тёмная материя, невидимая по всем остальным признакам, должна оставлять отпечаток на гравитационных волнах, отражающихся от сталкивающихся чёрных дыр.
|
|
|
|
Но как именно будет выглядеть этот отпечаток? И можно ли обнаружить такой отпечаток в гравитационных волнах, достигающих Земли, от чёрных дыр, слившихся на расстоянии многих миллионов световых лет?
|
|
|
|
Для ответа на эти вопросы Ауррекоетчеа и его коллеги разработали модель, предсказывающую форму гравитационных волн, или картину гравитационных волн, которые будут создавать две чёрные дыры, если они столкнутся в среде тёмной материи, в отличие от вакуума (пустого пространства, без тёмной материи).
|
|
|
|
В своем новом исследовании команда провела детальные численные симуляции для предсказания гравитационной волны, которая будет генерироваться при различных свойствах двух сталкивающихся черных дыр — системы, известной как «двойная черная дыра». Они рассмотрели двойные черные дыры в различных сценариях и с разными свойствами. Например, изменяя размер и массу каждой черной дыры, окружение темной материи, через которое могут проходить черные дыры, и плотность темной материи, которую будут раскручивать черные дыры.
|
|
|
|
Они разработали модель для предсказания того, как будет выглядеть гравитационная волна от двойной черной дыры, если она несет отпечаток темной материи, и, кроме того, как будет выглядеть эта волна, если она пройдет заданное расстояние в пространстве и времени, чтобы в конечном итоге достичь детектора на Земле.
|
|
|
|
С помощью своей модели они попытались выяснить, соответствуют ли какие-либо сигналы гравитационных волн, обнаруженные на Земле, предсказанным ими закономерностям отпечатков темной материи. Для этого они применили модель к общедоступным данным, записанным LVK за первые три сеанса наблюдений обсерватории. За этот период обсерватории зафиксировали сотни сигналов гравитационных волн. Для своих целей исследователи сосредоточились на наиболее четких сигналах, включающих гравитационные волны от 28 отдельных событий.
|
|
|
|
Для каждого события команда сравнивала характер фактической гравитационной волны со своей моделью того, как бы выглядел сигнал, если бы он был сгенерирован тем же событием в среде темной материи. Они также сравнивали гравитационную волну с более ожидаемым сценарием, в котором сигнал был создан в вакууме.
|
|
|
|
Из 28 наиболее четких сигналов, которые они проанализировали, 27 полностью соответствовали предсказаниям о том, что они были сгенерированы в вакууме. Однако характер одного события, GW190728, показал «предпочтение», или соответствие модели темной материи, разработанной командой. Другими словами, сигнал может нести отпечаток темной материи.
|
|
|
|
GW190728 — это гравитационная волна, названная в честь даты её обнаружения — 28 июля 2019 года. Ранее учёные определили, что гравитационная волна возникла в результате слияния двух чёрных дыр с общей массой примерно в 20 раз превышающей массу Солнца. С помощью своей модели команда показала, что такая система могла слиться через плотное облако тёмной материи и породить гравитационную волну, подобную GW190728.
|
|
|
|
«Статистическая значимость этого явления недостаточно высока, чтобы утверждать об обнаружении тёмной материи, и дальнейшие проверки должны быть проведены независимыми группами», — говорит Ауррекоетчеа. «Мы считаем важным подчеркнуть, что без моделей волновых форм, подобных нашей, мы могли бы обнаруживать слияния чёрных дыр в средах тёмной материи, но систематически классифицировать их как произошедшие в вакууме».
|
|
|
|
«Теперь у нас есть потенциал для обнаружения темной материи вокруг черных дыр, поскольку детекторы LVK продолжат собирать данные в ближайшие годы», — говорит соавтор Сумен Рой, возглавлявший анализ данных в этой работе. «Это захватывающее время для поиска новой физики с использованием гравитационных волн».
|
|
|
|
«Использование черных дыр для поиска темной материи было бы фантастическим», — добавляет соавтор Родриго Висенте, разработавший аналитическую модель сигнала. «Мы смогли бы исследовать темную материю в масштабах, намного меньших, чем когда-либо прежде».
|
|
|
|
Источник
|
