Физики ищут темную материю возле черных дыр

Поскольку неуловимая темная материя продолжает ускользать от обнаружения, ученым приходится искать ее во все более и более причудливых местах. В новом исследовании физики из Массачусетского технологического института изучили спины (вращение) черных дыр на предмет наличия признаков сопротивления темной материи, замедляющих их.

Из всей материи во Вселенной обычное вещество, с которым мы взаимодействуем каждый день, составляют лишь около 15 процентов. Подавляющее большинство «вещества» связано с тем, что мы называем темной материей, которая, кажется, взаимодействует с нормальной материей только посредством гравитации.

Прямое обнаружение частиц темной материи ускользало от ученых на протяжении десятилетий, но не из-за отсутствия попыток. Эксперименты на Земле заключались в поиске странного материала с помощью Большого адронного коллайдера, «аксионных радиоприемников», массивов из миллиардов крошечных маятников, огромных подземных резервуаров с экзотическими жидкостями или сверхпроводящих полостей.

Но космос, похоже, проводит свои собственные эксперименты, позволяя нам обнаружить след темной материи в космосе — если мы знаем, где искать. Это может включать необычное рентгеновское излучение галактик по мере распада частиц темной материи или, возможно, странные вспышки света или рентгеновские лучи возле нейтронных звезд, когда частицы темной материи превращаются в фотоны в мощных магнитных полях.

Теперь физики из лаборатории LIGO Массачусетского технологического института исследовали признаки загадочной материи в новой среде вокруг черных дыр. Их целью была гипотетическая частица темной материи, называемая сверхлегким бозоном, которая, как следует из названия, имеет чрезвычайно маленькую массу — менее одной миллиардной массы электрона.

Если бы эти сверхлегкие бозоны существовали, квантовая теория предсказывает, что черные дыры определенной массы втягивали бы огромные облака из них. Но они не будут просто втянутыми, как можно было бы ожидать — вместо этого такие частицы собирались бы вокруг черной дыры и фактически увлекались бы за ней, замедляя ее вращение. Следовательно, если вы обнаружите, что черные дыры определенной массы вращаются медленнее, чем они «должны», это может свидетельствовать о влиянии темной материи.

«Если бозоны существуют, мы могли бы ожидать, что старые черные дыры соответствующей массы не имеют больших спинов, поскольку бозонные облака извлекли бы большую их часть», — говорит Кван Енг, ведущий автор исследования. «Это означает, что открытие черной дыры с большими спинами может исключить существование бозонов с определенными массами».

Этот странный эффект является результатом некоторых квантовых причуд. По сути, из-за их невероятно малой массы субатомные частицы нельзя описать как находящиеся в одном конкретном месте одновременно. Вместо этого они описываются волной вероятных мест, и чем меньше размер частицы, тем длиннее становится эта волна (т. е. тем в большем количестве возможных мест она может быть в любой момент времени).

Итак, если сверхлегкие бозоны существуют в определенном диапазоне масс, их длина волны будет сравнима с радиусом черной дыры определенной массы. Поскольку вы никогда не сможете точно определить, где находится одна из этих крошечных частиц, если она находится рядом с черной дырой, вы никогда не сможете быть полностью уверены, что она «упала». По сути, облако выскакивает из черной дыры, теряя при этом ее угловой момент.

«Если вы запрыгнете на карусель, а затем спуститесь с нее, вы можете украсть энергию из карусели», — говорит Сальваторе Витале, соавтор исследования. «Эти бозоны делают то же самое с черной дырой».

Чтобы определить, существуют ли такие облака темной материи, астрономы изучили спины 45 двойных черных дыр. Они были взяты из данных исследований гравитационных волн, созданных коллаборацией LIGO и Virgo, которые возникают при столкновении черных дыр.

Команда ученых подсчитала, насколько быстро каждая из этих черных дыр будет вращаться, если бы они взаимодействовали со сверхлегкими бозонами в определенном диапазоне масс — от 1,3×10 ^-13 электронвольт до 2,7×10 ^-13.

Они обнаружили, что две черные дыры вращались слишком быстро, чтобы иметь какое-либо взаимодействие со сверхлегкими бозонами. Фактически, одна из них вращалась на максимально возможной скорости.

По словам ученых, этот результат достаточно убедителен, чтобы исключить сверхлегкие бозоны в этом диапазоне масс как темную материю. Нельзя сказать, что самой темной материи не существует — вместо этого, как и многие другие нулевые результаты, полученные в других экспериментах, это просто означает, что мы сужаем область возможных частиц, из которых она могла бы состоять.

Или, может быть, действительно не существует такой вещи, как темная материя, и эффекты, которые мы ей приписываем, вызваны совершенно другой физикой.

Исследование было опубликовано в журнале Physical Review Letters.