Гравитационные волны от черных дыр помогут раскрыть тайны темной материи

Исследователи из Амстердамского университета представили новую модель, которая позволяет использовать гравитационные волны от черных дыр для обнаружения и изучения темной материи. Работа, опубликованная в журнале Physical Review Letters, предлагает первый полностью релятивистский метод анализа влияния окружающего вещества на сигналы от двойных систем черных дыр.

Две черные дыры, вращаясь и сливаясь, испускают гравитационные волны, которые можно зафиксировать на Земле. Изучая форму этих волн, ученые могут исследовать окружение черных дыр и, в будущем, узнать больше о распределении и природе темной материи. Автор: ESA.

Ключевым элементом исследования стали так называемые экстремальные двойные системы с большой разницей масс (EMRI), где небольшая черная дыра медленно по спирали приближается к сверхмассивной черной дыре в центре галактики. В процессе сближения система испускает длительный гравитационно-волновой сигнал.

Будущие космические миссии, такие как антенна LISA Европейского космического агентства, запуск которой запланирован на 2035 год, смогут записывать эти сигналы месяцами и даже годами, отслеживая сотни тысяч орбитальных циклов. Точное моделирование этих «космических отпечатков» позволит определить, как материя — особенно таинственная темная материя, на которую, как считается, приходится большая часть вещества во Вселенной — распределена вблизи массивных черных дыр.

Новая работа физиков предоставляет первую полностью релятивистскую модель, основанную на общей теории относительности Эйнштейна, а не на упрощенных ньютоновских приближениях. Она описывает, как окружение черной дыры, в частности плотные скопления темной материи (так называемые «спайки» или «холмы»), влияет на орбиту и испускаемые гравитационные волны.

Встраивая это релятивистское описание в современные модели волновых форм, авторы показали, как подобные структуры оставят измеримый след в сигналах, которые будут регистрировать детекторы будущего. Это исследование представляет собой фундаментальный шаг в долгосрочной программе по использованию гравитационных волн для картирования распределения темной материи во Вселенной и прояснения ее фундаментальной природы.

Больше информации: Rodrigo Vicente et al, Fully Relativistic Treatment of Extreme Mass-Ratio Inspirals in Collisionless Environments, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/s4wh-x6c4. На arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2505.09715