Тёмная материя остаётся одной из главных и самых интригующих загадок современной науки. Согласно расчётам астрономов, она составляет подавляющую часть массы Вселенной, но её не удавалось зарегистрировать или наблюдать напрямую. В отличие от обычного вещества, тёмная материя абсолютно не взаимодействует с электромагнитным излучением, из-за чего кажется «невидимой» для детекторов. Единственный способ заметить её присутствие — уловить гравитационно.
Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) совместно с европейскими коллегами предложили искать её следы там, где гравитация достигает своего абсолютного предела — в моменты катастрофических слияний чёрных дыр.
Инструментом для этого тонкого физического эксперимента стала гравитационная рябь — тончайшие колебания самой ткани пространства-времени. Эхо такого слияния фиксируется на Земле лазерными интерферометрами международной коллаборации LIGO-Virgo-KAGRA (LVK). Физики предположили: если такое слияние происходит не в идеальном вакууме, а внутри плотного «облака» тёмной материи, то эта невидимая среда должна слегка затормозить чёрные дыры и изменить филигранный узор гравитационных волн.
Чтобы проверить свою гипотезу, авторы исследования создали детализированные компьютерные модели. В качестве главного кандидата учёные выбрали сверхлёгкие кванты тёмной материи с массой порядка 10-12 эВ. Вблизи чёрных дыр эти гипотетические частицы начинают вести себя одновременно и как крупицы материи, и как протяжённые волны.
Согласно законам квантовой астрофизики, когда такие скалярные волны сталкиваются со стремительно вращающейся чёрной дырой, запускается процесс суперрадиации. Чёрная дыра начинает распространять свою энергию вращения по окружающему пространству, экспоненциально усиливая эти волны. Вокруг неё формируется колоссальное по плотности, густое «облако» тёмной материи. Физики из MIT задались фундаментальным вопросом: способна ли эта новообразованная плотная среда оставить чёткий, поддающийся расшифровке «отпечаток» на финальном гравитационном сигнале?
Используя полуаналитические модели волновых форм, которые были строго выверены с помощью симуляций, команда провела байесовский анализ реального каталога данных LVK. Они детально изучили 28 наиболее чистых и чётких гравитационных сигналов, полученных за первые три рабочих запуска сети детекторов. Для большинства исследованных двойных систем стандартная вакуумная модель идеально совпала с практикой — чёрные дыры сливались в абсолютно пустом пространстве. Однако два события преподнесли настоящий сюрприз.
Для сигналов, получивших индексы GW190728 и GW190814, гипотеза чистого вакуума вышла за пределы 95% доверительного интервала. Настоящим открытием стал разбор всплеска GW190728, зафиксированного детекторами 28 июля 2019 года от слияния двух чёрных дыр с общей массой около 20 масс Солнца. Когда учёные заложили в алгоритм теоретические условия суперрадиации, новая модель совпала с реальными наблюдениями значительно лучше, чем классическая вакуумная концепция. Статистическая значимость этого совпадения указывает на весомые аргументы в пользу невакуумной среды.
Исследователи призывают научное сообщество к сдержанности в выводах и строго подчёркивают: полученный результат на данный момент нельзя считать официальным открытием или неопровержимым доказательством существования тёмной материи. Сигнала только от события GW190728 всё ещё недостаточно для однозначных выводов. Тем не менее, эта аномалия демонстрирует, что некоторые чёрные дыры действительно могут рождаться и погибать внутри плотных резервуаров тёмного вещества, а стандартные методы анализа их не закладывали.
Созданная учёными методика даёт астрофизикам мощный инструмент для «прощупывания» фундаментальной физики. Вместо того чтобы строить колоссальные подземные детекторы в надежде поймать редкое столкновение частиц тёмной материи с обычным веществом, учёные научились использовать естественные гравитационные интерферометры размером в световые годы. Каждое слияние компактных объектов теперь можно воспринимать как физический эксперимент по проверке Стандартной модели.
В ближайшие годы, по мере того как гравитационные обсерватории LVK будут наращивать чувствительность во время новых сеансов наблюдений, массив данных пополнится сотнями новых событий. Авторы работы надеются, что сбор более полной статистики позволит либо окончательно подтвердить наличие «отпечатков» тёмной материи в слияниях чёрных дыр, либо наложить строжайшие физические ограничения на параметры сверхлёгких частиц, сужая круг поиска этой главной космологической загадки.