Таинственная темная материя существует вокруг нас и все же невидима для нас. Такая темная материя может состоять из чрезвычайно легких частиц, известных как бозоны , каждая из которых имеет массу примерно 10-47 кг (это число с 46 нулями после запятой, за которым следует одна «единица»). Эти частицы примерно на 20 порядков легче электрона! Если они существуют, то могут случайным образом возникать вблизи вращающихся черных дыр и рассеиваться , то есть отскакивать от черных дыр, извлекая из них энергию и импульс. Поскольку эти бозоны имеют массу, а черная дыра оказывает сильное гравитационное притяжение, они привязываются к ней, что позволяет последовательно рассеиваться и извлекать больше энергии и импульса. Нет ограничений на количество бозонов, которые могут иметь определенное значение энергии, а это значит, что вокруг черной дыры может существовать 10 в пятидесятой степени из них, и все они извлекают из нее энергию!
Огромное количество частиц приводит к тому, что вокруг черной дыры формируется макроскопическое облако бозонов. На этом этапе бозоны со временем аннигилируют , т.е. будут сталкиваться друг с другом, что приведет к излучению гравитационных волн почти фиксированной частоты, почти одного тона. Очень медленно с течением времени облако будет становиться все меньше и меньше по мере того, как все больше и больше бозонов будут сталкиваться друг с другом, но на его исчезновение могут уйти десятки тысяч лет! Время, необходимое для создания облака, намного короче, чем время, необходимое для его истощения в результате аннигиляции, что гарантирует, что в течение нашей жизни эти бозонные облака будут излучать гравитационные волны.
Используя самые последние данные LIGO/ Virgo / KARGA коллаборации выполнили поиск сигналов гравитационных волн, возникающих в результате истощения бозонных облаков, которые могли исходить из любой точки неба. Такой поиск требует больших вычислительных ресурсов, потому что нам нужно анализировать каждую позицию на небе отдельно на всех частотах, поскольку мы не знаем ни массы каждой бозонной частицы, ни того, где в небе образовались черные дыры. Наш метод разбивает набор данных за один год на небольшие фрагменты длительностью не более нескольких часов, ищет в этих фрагментах монохроматический (т.е. с одной частотой) сигнал, а затем объединяет их. Хотя мы ожидаем, что сигнал будет монохроматическим, мы также хотим быть устойчивыми к неопределенностям в теориях, которые управляют излучением гравитационных волн из истощающихся бозонных облаков. Следовательно, мы рассматриваем возможность случайного блуждания частоты сигнала гравитационной волны во времени. В обоих случаях мы не находим значительного сигнала ни при массе бозона, ни при положении на небе, поэтому мы устанавливаем одни из самых строгих верхние пределы существования бозонных облаков вокруг вращающихся черных дыр в нашей галактике.
Мы интерпретируем эти ограничения двояко. Во-первых, для заданного расстояния, спина и возраста черной дыры мы вычисляем амплитуду сигнала гравитационной волны, который мог возникнуть от нее для множества пар масса бозона/масса черной дыры. Если эта амплитуда больше, чем полученная в анализе (который явно не предполагает модель истощающегося бозонного облака), мы можем исключить наличие облака вокруг черной дыры при определенных массах бозонов от 10 -13 до 10 -12 эВ. (~10 -47 до 10 -46кг) и массы черных дыр от 5 до 100 масс Солнца соответственно. Во-вторых, мы предполагаем модель распределения масс черных дыр, и для фиксированного возраста бозонного облака и случайных вращений черной дыры мы вычисляем, на каком расстоянии облако, состоящее из бозонов с определенной бозонной массой, произвело бы достаточно сильное сигнал, подлежащий обнаружению. Наши результаты подразумевают, что мы были бы чувствительны в лучшем случае к системам облаков черных дыр/бозонов на расстоянии около 100 кпк (более 300 000 световых лет) от нас!
ГЛОССАРИЙ
- Темная материя : Невидимая материя, которая составляет 85% материи во Вселенной. Мы не можем видеть его невооруженным глазом, но он взаимодействует гравитационно, так что мы можем сделать вывод о его влиянии на различные астрофизические объекты, например, на скорость звезд в нашей галактике.
- Бозоны : класс элементарных частиц (остальные называются фермионами). Бозоны имеют целочисленный спин, а фермионы имеют полу нечетный целочисленный спин. Например, фотон, переносчик электромагнитных волн, является бозоном со спином 1.
- Черная дыра : Область в пространстве-времени, обладающая настолько сильным гравитационным притяжением, что даже свет не может вырваться из его хватки. Достаточно массивная звезда в конце своей жизни взорвется и оставит после себя черную дыру . Может охватывать широкий диапазон масс, от одной солнечной массы до 10 9 солнечных масс! Такие «сверхмассивные» черные дыры существуют и в центрах галактик.
- Электронвольт (эВ) : Единица энергии, обычно используемая в атомной физике и физике элементарных частиц, например, для измерения того, сколько энергии необходимо для удаления электрона из атома. Из-за соотношения между энергией и массой, установленного Эйнштейном, E=mc 2 , массы частиц могут быть выражены в единицах энергии, деленных на квадрат скорости света, т. е. эВ/с 2 .
- Килопарсек (кпк) : тысяча парсеков. Парсек — астрономическая единица длины, соответствующая примерно 3 световым годам или 30 триллионам километров.
- LIGO : Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO) представляет собой пару детекторов гравитационных волн в США. Один расположен недалеко от Ливингстона, штат Луизиана, а другой — недалеко от Хэнфорда, штат Вашингтон. Оба детектора представляют собой крупномасштабные лазерные интерферометры с двумя перпендикулярными плечами длиной 4 км, которые пытаются измерить любые изменения относительной длины плеч, вызванные проходящей гравитационной волной.
- Дева : детектор гравитационных волн, расположенный недалеко от Пизы, Италия. Это тоже лазерный интерферометр, но с плечами длиной 3 км.
- KAGRA : Подземный детектор гравитационных волн, расположенный недалеко от Тоямы, Япония. Это тоже лазерный интерферометр, но с плечами длиной 3 км и криогенно охлаждаемыми зеркалами.
- Спин : угловой момент вращающейся черной дыры; одно из определяющих свойств черных дыр, наряду с массой и зарядом.
- Верхний предел : Заявление о максимальном значении, которое может иметь некоторое количество, при этом согласуясь с данными. Здесь мы используем эту концепцию, чтобы наложить ограничения на силу связи темных фотонов на разных частотах. Мы используем 95-процентный предел достоверности, т. е. при наличии данных существует 95-процентная вероятность того, что количество ниже этого предела.
