Гравитационные волны могут указать на облака темной материи возле черных дыр
Темная материя — одна из самых таинственных загадок науки. В новом исследовании астрономы искали облака гипотетических сверхлегких частиц, которые могли собираться вокруг черных дыр и заявлять о себе, посылая гравитационные волны.
Вся обычная (барионная) материя, которую мы видим и с которой взаимодействуем каждый день, составляет всего около 15 процентов от всей материи во Вселенной. Все остальное связано с темной материей, загадочной субстанцией, которая, кажется, взаимодействует с обычной материей только через свое гравитационное влияние.
Что такое темная материя, какими свойствами она может обладать, где ее можно найти и как ее обнаружить, — все это является предметом постоянных обсуждений и исследований.
Один из кандидатов на частицу темной материи — это сверхлегкие бозоны. Бозоны — это класс частиц, который включает в себя фотоны и легендарный бозон Хиггса, но некоторые модели предполагают, что еще неоткрытые версии могут существовать с чрезвычайно малой массой. Если таковые имеются, они могут помочь закрыть одну из самых больших дыр в нашем понимании вселенной.
«На Земле практически невозможно обнаружить сверхлегкие бозонные частицы», — говорит Лилли Сан, соавтор исследования. «Частицы, если они существуют, имеют чрезвычайно малую массу и редко взаимодействуют с другой материей — что, по-видимому, является одним из ключевых свойств темной материи».
В новом исследовании команда астрономов изучила небо в поисках сигнала, который могли бы генерировать облака сверхлегких бозонов. Поскольку темная материя в основном взаимодействует через гравитацию, астрономы обратились к гравитационным волнам — ряби в самой ткани пространства-времени.
С 2015 года были обнаружены десятки сигналов гравитационных волн, обычно возникающих во время столкновений между массивными объектами, такими как черные дыры и нейтронные звезды. Но они также могут происходить из-за более «тонких» явлений, генерирующих гораздо более длинную и мягкую волну на определенных частотах.
Ученые утверждают, что сверхлегкие бозоны могут собираться в облака вокруг быстро вращающихся черных дыр, где они «тянут» объект и замедляют его вращение. В конце концов, само облако начинает сжиматься, поскольку бозоны аннигилируют на другие частицы, которые генерируют гравитационные волны, улавливаемые определенным видом детекторов.
«Мы считаем, что черные дыры улавливают огромное количество бозонных частиц в своем мощном гравитационном поле, создавая облако, вращающееся вместе с ними», — говорит Лилли Сан. «Этот процесс продолжается миллионы лет и продолжает генерировать гравитационные волны, которые несутся в космосе. … Путем поиска гравитационных волн, излучаемых этими облаками, мы сможем отследить эти неуловимые бозонные частицы и, возможно, взломать код темной материи».
Чтобы проверить наличие таких сигналов, исследователи изучили данные, собранные во время третьего сеанса наблюдений с помощью детектора Advanced LIGO. К сожалению (что было ожидаемо), такого сигнала не обнаружено, но это не полностью исключает гипотезу. Вместо этого факт необнаружения накладывает ограничения на тип бозонов, которые могут быть задействованы, а также на возраст и расстояние до облаков. Поскольку облако с возрастом сжимается, сигналы гравитационных волн для старых облаков будут намного слабее, чем для молодых облаков.
«Мы узнали, что определенный тип бозонных облаков моложе 1000 лет вряд ли может существовать где-либо в нашей галактике, а облака возрастом до 10 миллионов лет вряд ли будут существовать в пределах примерно 3260 световых лет от Земли», — говорят ученые.
Более чувствительные детекторы в будущем смогут обнаруживать более слабые сигналы от старых облаков или более молодых, более далеких. Или, конечно, ученые могут ошибаться, и темная материя может быть чем-то совершенно иным.
Исследование доступно на сервере препринтов ArXiv.