Тёмная материя ускользает от учёных уже десятилетиями, но теперь исследователи заявляют, что её могли случайно обнаружить ещё семь лет назад. Несмотря на то, что на тёмную материю приходится до 85% всей материи во Вселенной, она полностью невидима для наших телескопов.
Однако международная группа учёных предполагает, что это загадочное вещество может оставлять едва уловимый след в гравитационных волнах, испускаемых сталкивающимися чёрными дырами. Если чёрные дыры сталкиваются, будучи окутаны тёмной материей, рябь, которую они посылают по космосу, может нести «отпечаток» той среды. В новом исследовании учёные заявляют, что нашли этот характерный след в записи столкновения чёрных дыр, обнаруженного ещё в 2019 году.
Учёные отмечают, что необходимы дополнительные наблюдения, прежде чем можно будет утверждать, что они «обнаружили» тёмную материю. Но их новый метод может помочь найти ещё больше признаков существования тёмной материи.
Соавтор исследования доктор Кэти Клаф, исследователь из Лондонского университета королевы Марии, заявила Daily Mail: «Обнаруженных нами в данных доказательств недостаточно, чтобы быть уверенными в том, что мы видим. Нам нужно проверить другие возможности. Однако это интересный намёк на то, что происходит нечто необычное. И поскольку в ближайшие годы мы ожидаем поступления новых сигналов от слияний чёрных дыр, если это действительно признак тёмной материи, мы увидим его снова».
Что такое тёмная материя?
Тёмная материя — это ненаблюдаемое вещество, на которое приходится 85% материи во Вселенной. Она не взаимодействует с электромагнитной силой, поэтому может проходить сквозь поля света или магнитной энергии, не оставляя следа. Единственный способ «увидеть» тёмную материю — косвенно, через её гравитационные эффекты. Наблюдая за тем, как свет искривляется вокруг далёких галактик, учёные вычислили, что должна существовать какая-то дополнительная масса, которую они не могут наблюдать. Считается, что дополнительная гравитация, вызывающая это «линзирование», исходит именно от тёмной материи.
Как чёрные дыры выдают присутствие тёмной материи
Когда пара чёрных дыр (так называемая двойная система) закручивается по спирали навстречу друг другу, они создают настолько интенсивные гравитационные силы, что вздымают волны в самой ткани пространства-времени. Эта рябь растягивает и сжимает реальность, путешествуя по Вселенной, и создаёт крошечные возмущения, которые могут улавливать специальные детекторы на Земле.
Доктор Клаф объясняет, что гравитационные волны «кодируют информацию о событии, которое их породило, — подобно тому, как звуковые волны кодируют информацию о форме и размере музыкального инструмента». Это означает, что рябь будет выглядеть немного по-разному в зависимости от того, столкнулась ли двойная система внутри плотного облака тёмной материи или в пустом пространстве.
Согласно одной из теорий, тёмная материя состоит из «лёгких скалярных» частиц, которые во много раз меньше электрона. Хотя эти частицы не взаимодействуют с электромагнитной силой, они всё же создают гравитационные эффекты, которые учёные приписывают тёмной материи. Важно, что такой тип тёмной материи обычно ведёт себя как частица, но вблизи чёрной дыры может действовать как согласованная волна.
Когда волны тёмной материи сталкиваются с быстро вращающейся чёрной дырой, учёные предсказывают, что часть энергии вращения чёрной дыры передастся тёмной материи. В явлении, известном как «суперрадиация», это усиливает волны тёмной материи, взбивая их до чрезвычайно высокой плотности — подобно тому, как сбивают сливки в масло.
«Наличие значительного количества тёмной материи вокруг двойной чёрной дыры создаёт силу сопротивления их движению, — говорит доктор Клаф. — Это означает, что двойные системы теряют энергию быстрее и начинают закручиваться по спирали навстречу друг другу, сливаясь быстрее, чем это происходило бы без тёмной материи». Если тёмная материя достаточно плотная, это приведёт к измеримым различиям в сигнатуре гравитационных волн, которые обсерватории могут зафиксировать.
Обнаружение спустя семь лет
В своей новой работе учёные создали математическую модель для предсказания того, как должны выглядеть гравитационные волны от столкновения двух чёрных дыр в пустом пространстве и в облаке тёмной материи. Используя эту модель, команда создала симуляции для чёрных дыр разного размера, сталкивающихся с разной скоростью и в разных облаках тёмной материи. Затем они сравнили эти симуляции с 28 наиболее качественными сигналами слияний чёрных дыр, собранными сетью обсерваторий LIGO-Virgo-KAGRA.
Из них 27 явно показали, что были созданы в пустом пространстве, но один сигнал продемонстрировал многообещающий намёк на отпечаток тёмной материи. Сигнал GW190728 (названный по дате обнаружения — 28 июля 2019 года) исходил от двойной чёрной дыры с массой около 20 масс Солнца. С помощью своей модели исследователи показали, что такая система могла слиться внутри плотного облака тёмной материи и произвести гравитационные волны, подобные GW190728.
Соавтор доктор Хосу Ауррекоэчеа, исследователь из физического факультета Массачусетского технологического института, говорит: «Мы знаем, что тёмная материя находится вокруг нас. Просто она должна быть достаточно плотной, чтобы мы могли увидеть её эффекты. Чёрные дыры предоставляют механизм для повышения этой плотности, и теперь мы можем искать её, анализируя гравитационные волны, испускаемые при их слиянии».
Что это значит для науки
Однако исследователи воздерживаются от заявления, что они окончательно обнаружили тёмную материю. Вместо этого они подчёркивают, что их метод — это способ «просеивать» данные гравитационных волн на предмет намёков на тёмную материю, которые физики затем смогут проверить и подтвердить с помощью других методов.
Соавтор Саумен Рой из Королевской обсерватории Бельгии отмечает: «Теперь у нас есть потенциал для обнаружения тёмной материи вокруг чёрных дыр по мере того, как детекторы LVK продолжают собирать данные в ближайшие годы. Наступает захватывающее время для поисков новой физики с помощью гравитационных волн».
Важно понимать, что сигнал GW190728 сам по себе не является доказательством существования тёмной материи. Существуют и другие возможные объяснения, например, особенности самой двойной системы или эффекты, связанные с обычной материей. Однако данное исследование открывает новый, многообещающий путь для поисков — анализ архивных данных гравитационно-волновых обсерваторий, который ранее никто не проводил.
Поделитесь в вашей соцсети👇
Ваш комментарий