Учёные разработали новый метод, позволяющий выявить скрытые признаки тёмной материи в гравитационных волнах — тех самых рябях пространства-времени, которые возникают при столкновении массивных объектов вроде чёрных дыр. Считается, что тёмная материя составляет большую часть материи во Вселенной, однако она не взаимодействует со светом или электромагнитными силами: гравитация остаётся единственным способом зафиксировать её присутствие. Исследователи предположили: если перед слиянием чёрные дыры проходят через плотные облака тёмной материи, то создаваемые в итоге гравитационные волны могут нести едва заметные следы такого взаимодействия.
Группа физиков из Массачусетского технологического института (MIT) и нескольких европейских институтов проверила свою гипотезу на общедоступных данных сети LIGO-Virgo-KAGRA (LVK), которая отслеживает слияния чёрных дыр и другие космические события. В эту сеть, помимо американского LIGO и итальянского Virgo, входит японский детектор KAGRA — он расположен под землёй в шахте в префектуре Гифу, что снижает сейсмический шум, а его зеркала охлаждаются до −253°C для уменьшения тепловых помех. Благодаря уникальной конструкции KAGRA улучшает точность локализации источников гравитационных волн. Учёные проанализировали сигналы первых трёх наблюдательных кампаний, сосредоточившись на 28 самых чётких гравитационно-волновых событиях. Для 27 из них картина волн в точности соответствовала тому, что ожидается при слиянии чёрных дыр в пустом пространстве, однако один сигнал, обозначенный как GW190728, оказался другим.
Согласно анализу команды, волновой паттерн GW190728 может содержать свидетельство взаимодействия с тёмной материей. Впрочем, исследователи подчёркивают: это ещё не открытие. Новая методика лишь позволяет сканировать гравитационно-волновые данные в поиске перспективных кандидатов для дальнейшего изучения. «Мы знаем, что тёмная материя существует вокруг нас, — говорит Джосу Ауррекоэчеа, постдок факультета физики MIT. — Чёрные дыры дают механизм, усиливающий её плотность, и теперь мы можем искать следы этого, анализируя гравитационные волны, излучаемые при слиянии».
Тёмная материя остаётся одной из величайших загадок физики: о её существовании учёные судят потому, что гравитация вокруг галактик оказывается сильнее, чем могут объяснить одни лишь видимые звёзды. Одна из предлагаемых форм — чрезвычайно лёгкие «скалярные» частицы, например аксионы, которые ведут себя как согласованные волны вблизи чёрных дыр. Считается, что когда такие волны попадают в область быстро вращающейся чёрной дыры, запускается квантовый процесс суперрадиации: частицы рассеиваются на вращающейся дыре и извлекают из неё энергию и угловой момент, резко усиливаясь. Это приводит к образованию вокруг чёрной дыры плотного «облака» тёмной материи, подобного атомной орбитали, которое растёт, отнимая энергию у чёрной дыры и создавая условия для возникновения наблюдаемых гравитационно-волновых сигналов при его распаде.
Чтобы проверить гипотезу, физики построили детальные симуляции слияний чёрных дыр при множестве различных условий — меняли массы, размеры и плотность окружающей среды. Они предсказали, как должны выглядеть гравитационные волны, если чёрные дыры сливаются внутри плотного облака тёмной материи, и сравнили эти прогнозы с реальными наблюдениями LVK. Из 28 сильнейших сигналов только GW190728 согласовался со сценарием с тёмной материей — это событие произошло при слиянии двух чёрных дыр суммарной массой примерно в 20 раз больше массы Солнца.
«Статистическая значимость пока недостаточно высока, чтобы заявлять об обнаружении тёмной материи, и независимые группы должны провести дополнительные проверки, — отмечает Ауррекоэчеа. — Но важно подчеркнуть: без моделей волновых форм, как наша, мы можем регистрировать слияния чёрных дыр в среде тёмной материи, но систематически классифицировать их как происходящие в вакууме». Исследователи уверены, что растущий объём гравитационно-волновых наблюдений сделает этот подход всё более эффективным в ближайшие годы. «Сейчас у нас есть потенциал обнаружить тёмную материю вокруг чёрных дыр, по мере того как детекторы LVK будут продолжать сбор данных», — говорит соавтор работы Сумэн Рой, руководивший анализом данных. «Использовать чёрные дыры для поиска тёмной материи было бы фантастически, — добавляет соавтор Родриго Висенте. — Мы сможем изучать тёмную материю на масштабах, гораздо меньших, чем когда-либо прежде». Исследование поддержано частично Национальным научным фондом США и Центром теоретической физики MIT.
Источник: A strange ripple in spacetime could be the first fingerprint of dark matter