Гравитационные волны впервые указали на присутствии темной материи

Группа исследователей под руководством Хосу Ауррекоэчеа из Массачусетского технологического института совместно с коллегами из европейских университетов разработала новый метод анализа гравитационных волн для поиска следов темной материи. Применив этот метод к данным глобальной сети обсерваторий LIGO-Virgo-KAGRA (LVK) за первые три сеанса наблюдений, ученые обнаружили, что 27 из 28 проанализированных сигналов от слияний черных дыр соответствуют сценарию слияния в пустом пространстве, однако один сигнал под названием GW190728 показал возможные признаки влияния темной материи. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Согласно современным космологическим представлениям, темная материя составляет основную часть материи во Вселенной, однако ее присутствие выдается лишь гравитационным взаимодействием. В регионах, где плотность темной материи достаточно высока, она может влиять на движение массивных объектов, таких как черные дыры.

Особый интерес представляют ситуации, когда две черные дыры сближаются по спирали и сливаются, проходя через облако темной материи. В этом случае гравитационные волны, порождаемые слиянием, должны нести отпечаток окружающей среды, своего рода «подпись» темной материи, которая может быть зафиксирована земными детекторами.

Физики из Массачусетского технологического института и европейских университетов создали теоретический метод, позволяющий предсказывать форму гравитационной волны для сценария слияния в присутствии темной материи, в отличие от стандартного случая слияния в вакууме. Этот подход дает возможность сравнивать реальные сигналы с двумя моделями и выявлять аномалии.

Исследователи применили свою методику к общедоступным данным, собранным международной коллаборацией LIGO-Virgo-KAGRA. В выборку вошли 28 наиболее четких сигналов гравитационных волн, зарегистрированных за первые три наблюдательных кампании.

Для 27 из них наилучшее соответствие показала модель слияния в пустом пространстве, что полностью согласуется с ожиданиями физиков. Однако при анализе сигнала, обозначенного как GW190728, были замечены отклонения, которые могут указывать на влияние темной материи.

Авторы работы подчеркивают, что сделанное наблюдение нельзя считать открытием темной материи. Полученные данные не являются статистически достаточными для окончательного вывода, а само отклонение может иметь иное, не связанное с темной материей, объяснение.

«Использование черных дыр для поиска темной материи было бы фантастическим решением», — говорит  соавтор работы Родриго Висенте, разработавший аналитическую модель сигнала. «Мы смогли бы исследовать темную материю в масштабах, намного меньших, чем когда-либо прежде».

Тем не менее предложенный метод открывает новое направление в анализе гравитационно-волновых данных. Он позволяет выявлять кандидатов для последующей проверки с помощью других астрофизических наблюдений и расчетов. Как отмечает Хосу Ауррекоэчеа, темная материя существует повсеместно, и черные дыры служат естественным усилителем ее плотности, что и дает шанс зафиксировать ее косвенное присутствие через гравитационные волны от слияний.

Коротко о результате: разработан новый метод поиска следов темной материи в гравитационных волнах от слияний черных дыр. При анализе данных LIGO-Virgo-KAGRA один из 28 сигналов (GW190728) показал возможные аномалии, не исключающие влияния темной материи, однако открытием она не является. Метод создает основу для будущих целенаправленных поисков с помощью гравитационно-волновых обсерваторий.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях