Странная рябь в пространстве-времени может быть первым отпечатком темной материи

Модель, разработанная физиками из Массачусетского технологического института (MIT) и других учреждений, предсказывает, как гравитационные волны (синие и красные волны) могут нести отпечатки темной материи (светло-фиолетовая), через которую проходят две сливающиеся черные дыры. Credit: Courtesy of the researchers

Физики из MIT и нескольких европейских институтов разработали метод, позволяющий выявлять возможные признаки темной материи, скрытые в гравитационных волнах. Эти рябь пространства-времени возникают, когда массивные объекты, такие как черные дыры, сближаются по спирали и сливаются. Если черные дыры перед столкновением проходят через плотные облака темной материи, результирующие гравитационные волны могут нести тонкие следы этого взаимодействия.

Команда проверила свой подход, используя общедоступные данные, собранные сетью обсерваторий LIGO-Virgo-KAGRA (LVK), которая отслеживает слияния черных дыр и другие далекие космические события.

Исследователи проанализировали сигналы, полученные во время первых трех циклов наблюдений LVK. Они сосредоточились на 28 самых четких событиях гравитационных волн, обнаруженных на сегодняшний день.

Для 27 из этих событий сигналы соответствовали тому, что ученые ожидают от слияния черных дыр в пустом пространстве. Но один сигнал, известный как GW190728, выглядел иначе. Согласно анализу команды, структура этой гравитационной волны может содержать свидетельства взаимодействия с темной материей.

Исследователи подчеркивают, что это не является подтвержденным открытием темной материи. Вместо этого новая техника предоставляет способ сканировать данные гравитационных волн в поисках многообещающих сигналов, которые впоследствии можно будет изучить более детально.

«Мы знаем, что темная материя окружает нас. Она просто должна быть достаточно плотной, чтобы мы могли увидеть ее эффекты, — говорит Джосу Ауррекоечеа, постдок из физического факультета MIT. — Черные дыры предоставляют механизм для увеличения этой плотности, который мы теперь можем искать, анализируя гравитационные волны, излучаемые при их слиянии». Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Темная материя остается одной из величайших загадок физики. Ученые делают вывод о ее существовании, потому что гравитация вокруг галактик оказывается сильнее, чем может объяснить только видимая материя. Текущие оценки предполагают, что темная материя может составлять более 85 процентов всей материи во Вселенной. Одна из предложенных форм включает чрезвычайно легкие частицы, называемые «легкими скалярными» частицами. Теории предполагают, что эти частицы могут вести себя как скоординированные волны вблизи черных дыр.

Ученые считают, что когда эти волны встречают быстро вращающуюся черную дыру, энергия ее вращения может передаваться волнам темной материи, значительно увеличивая их плотность. Этот процесс, известный как суперрадиация, сравнивают со взбиванием сливок в масло. Если плотность становится достаточно высокой, темная материя может изменить гравитационные волны, возникающие при столкновении черных дыр.

Чтобы исследовать эту возможность, исследователи построили детальные симуляции слияний черных дыр при различных условиях. Используя эти симуляции, команда предсказала, как будут выглядеть гравитационные волны, если черные дыры сольются внутри плотной среды темной материи, а не в вакууме. Затем они сравнили свои предсказания с реальными наблюдениями LVK. Из 28 самых сильных сигналов GW190728 был единственным событием, которое показало соответствие сценарию с темной материей.

Сигнал GW190728 был впервые обнаружен 28 июля 2019 года. Более ранние исследования определили, что сигнал исходил от двух черных дыр с общей массой примерно в 20 раз больше массы Солнца. Согласно новому анализу, эти черные дыры могли слиться внутри плотного облака темной материи.

«Статистическая значимость этого недостаточно высока, чтобы заявлять об обнаружении темной материи, и независимые группы должны провести дополнительные проверки, — говорит Ауррекоечеа. — Что мы считаем важным подчеркнуть, так это то, что без таких моделей формы сигнала, как наша, мы могли бы обнаруживать слияния черных дыр в среде темной материи, но систематически классифицировать их как произошедшие в вакууме».

Исследователи говорят, что растущее число наблюдений гравитационных волн может сделать этот подход все более полезным в ближайшие годы. «У нас теперь есть потенциал обнаружить темную материю вокруг черных дыр, поскольку детекторы LVK продолжают собирать данные в ближайшие годы, — говорит соавтор исследования Сумен Рой, руководивший частью работы по анализу данных. — Это захватывающее время для поиска новой физики с помощью гравитационных волн».