Гравитационные волны, возникающие при столкновении чёрных дыр, могут содержать в себе отпечатки тёмной материи. Физики разработали новую математическую модель, позволяющую выявить эти едва заметные искажения в структуре пространства-времени.
Согласно современным космологическим представлениям, тёмная материя составляет большую часть массы Вселенной, однако она не участвует в электромагнитном взаимодействии и обнаруживает себя исключительно через гравитацию. И в сценарии, когда две чёрные дыры сближаются по спирали в области с высокой концентрацией тёмной материи, порождаемые ими гравитационные волны должны нести информацию о среде, в которой происходило слияние.
Группа исследователей из Массачусетского технологического института (MIT) и ряда европейских научных центров предложила метод, позволяющий прогнозировать изменения формы гравитационного сигнала. Данная методика описывает, как именно должен выглядеть волновой всплеск, если чёрные дыры двигались сквозь плотное облако тёмной материи, а не в вакууме. Для проверки модели учёные обратились к открытым данным глобальной сети обсерваторий LIGO-Virgo-KAGRA (LVK), фиксирующей сигналы от слияний чёрных дыр и других мощных астрофизических событий.
В рамках исследования были проанализированы результаты первых трёх сеансов наблюдений LVK. Из 28 наиболее чётких сигналов 27 полностью соответствовали стандартным моделям слияния в безвоздушном пространстве. Однако один сигнал, получивший обозначение GW190728, продемонстрировал аномалии, характерные для взаимодействия с тёмной материей.
Авторы работы подчеркивают, что речь не идёт о прямом открытии тёмной материи. Скорее, предложен новый способ фильтрации данных, который позволяет находить потенциальные зацепки для дальнейшего подтверждения другими методами.
"Мы знаем, что тёмная материя окружает нас повсеместно. Вопрос лишь в том, чтобы её плотность была достаточной для фиксации эффектов её же существования, - поясняет Джосу Ауррекоэчеа с физического факультета MIT. - Чёрные дыры выступают в роли своеобразного механизма, концентрирующего эту материю. Теперь мы можем искать следы этого процесса, анализируя гравитационные волны".
Гравитационное влияние тёмного вещества
Тёмная материя остается гипотетической формой вещества, которая, в отличие от барионной материи, прозрачна для света, магнитных полей и любого другого излучения. Единственным свидетельством её существования является гравитационное воздействие на видимые объекты.
Астрономы фиксируют эффект гравитационного линзирования, то есть искривления света далёких галактик, которое невозможно объяснить только массой видимых звёзд и газа. Эта избыточная сила приписывается тёмной материи, на долю которой приходится более 85 процентов вещества во Вселенной. Природа её частиц остается предметом дискуссий, по теоретическим моделям их размеры варьируются от массивных объектов до сверхлёгких частиц.
Одна из теорий предполагает существование лёгких скалярных частиц, масса которых на много порядков меньше массы электрона. Согласно расчётам, вблизи чёрных дыр такая материя должна вести себя не как поток отдельных частиц, а как скоординированные волны.
Когда эти волны взаимодействуют с быстро вращающейся чёрной дырой, возникает эффект сверхизлучения (superradiance). Вращательная энергия чёрной дыры передается тёмной материи, резко увеличивая её плотность в окрестностях объекта. Этот процесс учёные образно сравнивают с взбиванием сливок в масло. При достижении критической плотности эта невидимая среда начинает оказывать влияние на динамику слияния чёрных дыр, оставляя след в структуре испускаемых гравитационных волн.
Чтобы понять, как именно выглядит этот след и можно ли его зафиксировать детекторами на Земле спустя миллионы световых лет, команда исследователей разработала модель для сравнения гравитационных автографов событий в вакууме и в среде тёмной материи.
Прогноз и реальность
В ходе работы проводилось детальное численное моделирование слияния двойных систем чёрных дыр. Исследователи варьировали массу и размер объектов, характеристики окружающей среды и плотность тёмной материи, которую накручивали на себя чёрные дыры. Модель рассчитывала, как изменится сигнал при прохождении через пространство-время до земных детекторов.
Применив этот алгоритм к данным LVK, учёные сопоставили сотни зафиксированных событий со своими предсказаниями. Основное внимание уделили 28-ми наиболее качественным записям. Для каждого события проверялись две гипотезы: классическое слияние в вакууме и слияние в облаке скалярной тёмной материи.
Как уже отмечалось, событие GW190728 стало единственным, показавшим статистическое предпочтение в пользу модели с тёмной материей. Сигнал был зафиксирован 28 июля 2019 года. Известно, что он порожден парой чёрных дыр с суммарной массой около 20 масс Солнца. Расчёты показали, что прохождение такой системы через плотное облако тёмной материи могло привести именно к тем искажениям, которые наблюдались в реальности.
"Статистическая значимость пока недостаточно высока, чтобы заявлять об открытии, - говорит исследователь. - Но важно другое. Без подобных моделей мы могли бы фиксировать слияния в среде тёмной материи, ошибочно классифицируя их как обычные события в вакууме".
По мнению соавтора исследования Соумена Роя, по мере накопления данных детекторами LVK потенциал для обнаружения тёмной материи вокруг чёрных дыр будет только расти. Это открывает возможность изучать фундаментальную физику на масштабах, которые ранее были недоступны для наблюдения.