Учёные надеются «услышать» тёмную материю благодаря характерным отпечаткам, оставленным ею на гравитационных волнах

Новое исследование показывает, что загадочная тёмная материя может оставлять крошечный, но различимый след в гравитационных волнах, распространяющихся в ткани пространства-времени.

Команда, стоящая за этим исследованием, предполагает, что если две чёрные дыры сливаются в области космоса, заполненной плотными облаками тёмной материи, то возникающие при этом гравитационные волны могут разнести отпечаток тёмной материи по всей Вселенной. По их мнению, вполне возможно, что наши детекторы смогут обнаружить этот отпечаток.

К счастью, когда речь заходит об обнаружении гравитационных волн от сталкивающихся чёрных дыр, приборы человечества, такие как LIGO (Лазерная интерферометрическая обсерватория гравитационных волн), становятся всё более чувствительными. В преддверии того момента, когда такие следы станут ещё легче фиксироваться в данных о гравитационных волнах, эта команда разработала метод, позволяющий предсказать, какую именно форму должна принять гравитационная волна при прохождении через тёмную материю — в противовес случая, когда она идёт через пустое пространство.

Тёмная материя представляет собой настоящую загадку: хотя она невидима, её содержание во Вселенной около в пять раз превосходит количество обычной материи.

Отсутствие взаимодействия со светом означает, что она не может состоять из протонов, нейтронов и электронов — частиц, из которых состоят атомы. Единственный метод, которым астрономы узнают о существовании тёмной материи, — это её гравитационное воздействие, которое искривляет пространство-время и косвенно влияет на обычную материю и свет.

Опираясь на эти знания, учёные ведут поиски частиц, выходящих за рамки Стандартной модели физики элементарных частиц, которые могли бы объяснить природу тёмной материи. Эти частицы могут иметь широкий диапазон масс и свойств; одна из гипотетических частиц — «лёгкий скаляр», масса которого, согласно предположениям, намного меньше массы электрона. Одно из свойств лёгкого скаляра заключается в том, что тёмная материя, состоящая из подобных частиц, будет вести себя определённым образом вокруг чёрных дыр.

Вокруг вращающейся чёрной дыры энергия вращения может передаваться лёгкой скалярной тёмной материи, увеличивая её плотность. Если образующиеся при этом полосы тёмной материи будут достаточно плотными, они смогут повлиять на гравитационные волны от сливающихся чёрных дыр, оставив характерный след.

Определив, как будет выглядеть этот след, учёные проанализировали информация, собранные LIGO и другими детекторами гравитационных волн — KAGRA (Kamioka Gravitational Wave Detector) и Virgo, — сосредоточившись на 28 наиболее чётких сигналах от сливающихся чёрных дыр. Из них 27, по-видимому, исходили от слияний, произошедших в по сравнению см вакууме космоса. Тем не менее один сигнал, GW190728, в первый раз зарегистрированный 19 июля 2019 года и являющийся результатом слияния двойной чёрной дыры с общей массой около 20 солнечных масс, расположенной, по оценкам, на расстоянии 8 миллиардов световых лет, казалось, нёс в себе характерный след слияния, произошедшего в области плотной тёмной материи.

Авторы исследования сразу же отмечают, что эти результаты нельзя считать прямым доказательством существования тёмной материи; однако они указывают, на что следует обращать внимание и в каком направлении двигаться дальше. Это может стать всё более полезным по мере того, как детекторы гравитационных волн, такие как LIGO, после повышения чувствительности вступают в пятый этап работы.