Впервые получены вероятные свидетельства темной материи при слиянии черных дыр

Тёмная материя по-прежнему остается одной из наиболее глубоких тайн современной науки. По расчетам ученых, на её долю приходится львиная часть массы Вселенной, однако обнаружить её напрямую до сих пор не удалось. Поскольку она лишена электромагнитного взаимодействия, эта субстанция остается невидимой для существующих приборов. Единственным надежным способом зафиксировать её присутствие остается гравитационный мониторинг.

Исследовательская группа из Массачусетского технологического института (MIT) совместно с европейскими коллегами предложила использовать для поиска следов этой материи экстремальные условия — катастрофические слияния чёрных дыр.

В качестве инструмента ученые выбрали гравитационные волны — едва уловимые возмущения пространства-времени. Эхо подобных катаклизмов регистрируется сетью лазерных интерферометров LIGO-Virgo-KAGRA (LVK). Гипотеза физиков строится на том, что если слияние происходит не в абсолютной пустоте, а внутри плотного скопления тёмной материи, это должно создавать сопротивление и вносить характерные искажения в структуру гравитационных волн.

Для проверки этой теории была разработана детальная компьютерная модель. В качестве объекта поиска были выбраны сверхлёгкие скалярные частицы тёмной материи с массой порядка 10-12 эВ, которые способны проявлять свойства как материи, так и квантовых волн.

Согласно принципам квантовой астрофизики, при взаимодействии таких волн с вращающейся чёрной дырой возникает эффект суперрадиации. Чёрная дыра отдает энергию вращения окружающему пространству, что приводит к лавинообразному усилению волн и формированию плотной оболочки из тёмной материи. Ученые из MIT задались вопросом: способно ли это «облако» оставить заметный след в гравитационном сигнале, который можно будет идентифицировать при анализе?

Используя полуаналитические модели волновых форм и байесовский анализ данных, команда исследовала 28 наиболее четких событий из архивов LVK. В большинстве случаев результаты соответствовали вакуумной модели, однако два инцидента выбились из общего ряда.

В случае с событиями GW190728 и GW190814 гипотеза о «чистом вакууме» оказалась вне 95% доверительного интервала. Особый интерес вызвал всплеск GW190728, зафиксированный 28 июля 2019 года, ставший результатом слияния двух чёрных дыр с суммарной массой около 20 солнечных. Применение модели суперрадиации позволило гораздо точнее интерпретировать полученный сигнал, чем классическая вакуумная теория, что стало статистически значимым доводом в пользу наличия невакуумной среды.

Авторы исследования призывают к осторожности и подчеркивают, что полученные данные пока не являются неоспоримым доказательством существования тёмной материи. Одной аномалии недостаточно для радикальных выводов, однако этот прецедент доказывает, что некоторые объекты могут эволюционировать внутри скрытых «резервуаров» тёмного вещества, что до сих пор не учитывалось стандартными алгоритмами анализа.

Данная методика открывает перед астрофизиками новые горизонты. Теперь слияния компактных объектов можно рассматривать как уникальные лабораторные эксперименты, позволяющие исследовать фундаментальные законы природы без строительства колоссальных детекторов, используя саму Вселенную как масштабный интерферометр.

В ближайшее время, по мере роста чувствительности обсерваторий LVK и накопления новых данных, ученые рассчитывают либо окончательно подтвердить присутствие «отпечатков» тёмной материи, либо существенно сузить область поиска этой космологической загадки, накладывая более жесткие ограничения на свойства гипотетических частиц.

Источник: iXBT