Пробив в космологията: Нов метод за откриване на тъмна материя даде първия си резултат

Международен екип от физици разработи метод за търсене на следи от тъмна материя в гравитационните вълни от сблъскващи се черни дупки. След като анализирали 28 от най-ясните сигнали, регистрирани от мрежата на обсерваторията LIGO-Virgo-KAGRA, изследователите са установили, че един от тях – GW190728 – носи възможни признаци за наличие на тъмна материя. Статистическата значимост на откритието обаче не е достатъчно голяма, за да се направят окончателни заключения.

Тъмната материя не взаимодейства със светлината и електромагнитното поле и може да се издаде единствено чрез гравитацията. Ако две черни дупки се сближат и слеят в регион, където плътността на тъмната материя е висока, гравитационните вълни – пулсации в пространство-времето – би трябвало да носят отпечатъка на тази среда. Проблемът е, че разпознаването на подобен сигнал е изключително трудно.

„Ние знаем, че тъмната материя съществува навсякъде около нас. Тя просто трябва да е достатъчно плътна, за да можем да наблюдаваме ефектите ѝ“, казва Йосу Аурекоечеа от Масачузетския технологичен институт. – Черните дупки осигуряват механизъм за увеличаване на тази плътност, който сега можем да търсим, като анализираме гравитационните вълни, които се получават при сливането им.“

Ако една черна дупка се върти бързо и през нея премине поле от скаларна тъмна материя (частици, много по-леки от електрона), възниква свръхизлъчване – енергията от въртенето на черната дупка се предава на тъмната материя и нейната плътност локално се увеличава до огромни стойности. Тази свръхплътна обвивка от тъмна материя около дупката просто оставя отпечатък върху гравитационните вълни при сливането. Новият метод може да улови такива отпечатъци дори от събития, отдалечени на милиони светлинни години.

Изследователите са извършили подробни числени симулации на двойки черни дупки – тяхната маса, ротация и плътността на заобикалящата ги тъмна материя – и са построили модел на прогнозираната форма на гравитационните вълни за два случая: сливане на BHs в пустотата и сливане вътре в плътен облак от леки скаларни частици – един от кандидатите за тъмна материя. След това сравнили тези модели с реални данни от астрономически наблюдения, пише MIT News.

От 28-те най-ясни сигнала 27 напълно се вписват в модела „сливане във вакуум“. Но един сигнал, регистриран на 28-ми юли 2019 г. (GW190728), показа значително отклонение в полза на модела на тъмната материя. Този сигнал дойде от двойка черни дупки с обща маса около 20 слънчеви маси.

Авторите на новата научна работа подчертават, че не става дума за откриването на тъмна материя. Статистическата значимост на резултата все още е недостатъчна за подобно твърдение. По-скоро сега разполагаме с инструмент, който може да идентифицира събитието за последваща проверка с други методи.

Възможността за използване на черните дупки като сонда за търсене на тъмна материя е фантастична перспектива, която ни позволява да изследваме мащаби, недостъпни за никой друг експеримент, твърдят авторите на изследването.