Вчені зробили крок до того, щоб перетворити зіткнення чорних дір на своєрідні космічні «детектори» темної матерії. Новий метод дозволяє шукати надзвичайно слабкі сліди невидимої речовини у гравітаційних хвилях — тих самих коливаннях простору-часу, які виникають під час найпотужніших подій у Всесвіті.
І хоча це ще не відкриття темної матерії, одна з подій уже викликала особливий інтерес у дослідників.
Як чорні діри можуть «підсвітити» темну матерію
Темна матерія залишається однією з найбільших загадок сучасної фізики. Вона не випромінює світла, не взаємодіє з ним і проявляє себе лише через гравітацію. За оцінками вчених, саме вона становить понад 85% усієї матерії у Всесвіті.
Дослідники з Massachusetts Institute of Technology разом із європейськими колегами запропонували ідею: якщо дві чорні діри зіштовхуються в регіоні, де темної матерії достатньо багато, вона може залишити ледь помітний «відбиток» у гравітаційних хвилях.
Ці хвилі фіксує міжнародна мережа детекторів LIGO-Virgo-KAGRA Collaboration, яка реєструє найпотужніші космічні зіткнення.
Новий спосіб «читати» гравітаційні хвилі
Команда створила модель, яка описує, як саме має змінюватися сигнал гравітаційних хвиль, якщо чорні діри проходять через середовище темної матерії, а не порожній космос. Після цього вчені перевірили реальні дані з перших трьох спостережних циклів детекторів і проаналізували 28 найчіткіших сигналів від злиття чорних дір.
Результат був цікавим: 27 подій повністю відповідали сценарію «чорних дір у вакуумі». Але один сигнал — GW190728 — показав невелике відхилення, яке може відповідати впливу темної матерії.
Що відомо про підозрілий сигнал GW190728
Подія GW190728 була зафіксована 28 липня 2019 року. Вона виникла внаслідок злиття двох чорних дір загальною масою близько 20 мас Сонця.
Згідно з новою моделлю, така система могла проходити через щільну область темної матерії, що й могло вплинути на форму гравітаційного сигналу. Втім, дослідники підкреслюють: це не доказ існування темної матерії в сигналi. Це лише «підказка», яка потребує подальшої перевірки.
Чому темна матерія така загадкова
Ідея темної матерії виникла після спостережень за тим, як рухаються галактики та як гравітація викривлює світло. Видимої матерії недостатньо, щоб пояснити ці ефекти, тому вчені припустили існування невидимого компонента Всесвіту.
Однією з гіпотез є те, що темна матерія складається з надлегких частинок, які можуть поводитися як хвилі. Поблизу чорних дір ці хвилі можуть посилюватися завдяки процесу, який називають «суперрадіацією», коли чорна діра передає частину своєї енергії навколишній темній матерії.
Це може створювати щільні «хмари» темної матерії, здатні впливати на гравітаційні хвилі під час злиття чорних дір.
Комп’ютерне моделювання космічних зіткнень
Щоб перевірити цю ідею, науковці змоделювали різні сценарії злиття чорних дір — із різними масами, швидкостями обертання та густинами темної матерії. Потім вони порівняли отримані теоретичні сигнали з реальними даними, які були зафіксовані детекторами LIGO-Virgo-KAGRA Collaboration.
Один сигнал, який виділився
Більшість подій чітко збігалися з моделлю злиття у вакуумі. Але GW190728 продемонстрував слабке відхилення, яке може вказувати на вплив темної матерії.
Дослідники наголошують: статистичної значущості недостатньо, щоб робити висновки. Однак сам підхід відкриває новий спосіб пошуку прихованих властивостей Всесвіту.
Що це означає для науки
Навіть якщо сигнал GW190728 не підтвердить існування темної матерії, метод уже є проривним. Він дозволяє аналізувати гравітаційні хвилі не лише як сліди зіткнень чорних дір, а й як потенційні «носії» інформації про невидиму матерію.
Як зазначають автори дослідження з MIT та їхні європейські колеги, у майбутньому, з накопиченням нових даних, такі методи можуть допомогти вперше «побачити» темну матерію не напряму, а через її гравітаційний слід. І тоді чорні діри стануть не лише об’єктами руйнування, а й інструментами, які допоможуть розкрити одну з найбільших таємниць Всесвіту.
