Гравитационните вълни могат да разкрият тайните на тъмната материя

Тъмната материя е една от най-големите загадки на съвременната физика. Смята се, че тя съставлява по-голямата част от материята във Вселената, но нейната природа и свойства все още са неизвестни. Учени се опитват да открият частици тъмна материя с помощта на различни експерименти, но досега не е постигнат никакъв успех в тази посока.

Използване на гравитационни вълни

Сега екип от изследователи от Индия и САЩ предлага нова идея за търсенето на тъмна материя с помощта на гравитационни вълни, които представляват пулсации в пространство-времето, причинени от силни космически събития. В съобщение за пресата изследователите предполагат, че частиците тъмна материя могат да се натрупват в неутронните звезди, които са изключително плътни остатъци от експлодирали звезди, и да предизвикат колапса им в черни дупки. Този процес би предизвикал гравитационни вълни, които обсерватории като LIGO, VIRGO и KAGRA биха могли да засекат.

Изследването, публикувано в Physical Review Letters е ръководено от Сулагна Бхатачария, дипломан студент от Института за фундаментални изследвания Tata (TIFR) в Мумбай. Тя обяснява, че частиците на тъмната материя могат да взаимодействат с нормалната материя чрез сили, различни от гравитацията и с течение на времето да попаднат в капан в неутронните звезди. Ако частицата на тъмната материя е достатъчно тежка и няма античастица, тя може да образува плътно ядро в неутронната звезда, което да се превърне в малка черна дупка. След това черната дупка ще погълне неутронната звезда отвътре и ще я превърне в черна дупка с подобна маса.

Този сценарий би създал черни дупки с ниска маса, по-малка от максималната възможна маса на неутронните звезди, която според сегашните теории за звездната еволюция е около 2,5 пъти по-голяма от масата на Слънцето.

Нова граница в търсенето и разбирането на тъмната материя

Интересно е, че някои от откритите от LIGO събития с гравитационни вълни, като GW190814 и GW190425 изглежда включват поне един малък обект с ниска маса. Една от възможностите е тези обекти да са първични черни дупки, които са древни черни дупки, образувани от флуктуации на плътността в ранната Вселена, както предполагат Стивън Хокинг и Яков Зелдович през 60-те години на миналия век. Новото изследване на Бхатачаря и колегите му показва, че същото не-откриване на сливания с ниска маса от LIGO поставя строги ограничения и за частиците тъмна материя. В изследването се разглежда диапазон от маси на частици тъмна материя извън обсега на настоящите наземни експерименти като XENON1T, PANDA, LUX-ZEPLIN.

Изследователите прогнозират, че бъдещите детектори на гравитационни вълни, като Advanced LIGO, Cosmic Explorer и телескопа „Айнщайн“, ще могат да изследват още по-слаби взаимодействия на тъмна материя, доста под така наречения „неутринен минимум“, където конвенционалните детектори на тъмна материя се сблъскват с фоновия шум от астрофизични неутрино. Алтернативно, ако в бъдеще бъдат открити черни дупки с ниска маса, това би могло да даде ценна информация за природата на тъмната материя.

Изследването открива нова граница в стремежа за разбирането на тъмната материя, като подчертава потенциала на гравитационните вълни не само като научен куриоз, но и като мощен инструмент за фундаментални открития в областта на физиката като цяло.

Завършвайки с надежда, авторите на изследването отбелязват:

„Детекторите на гравитационни вълни, които вече са допринесли за потвърждаване на съществуването на черни дупки и предсказаните от Айнщайн гравитационни вълни, имат потенциала да се превърнат в надежден инструмент за изследване на теориите за тъмната материя.“