Головна / Всесвіт / Злиття чорних дір допоможуть відкрити надлегку темну матерію

Злиття чорних дір допоможуть відкрити надлегку темну матерію

Спостереження за «тремтінням» злиття чорних дір допоможуть вченим з’ясувати, чи існують аксіони, надлегкі частинки темної матерії чи інші кандидати на роль «шостої сили природи». До такого висновку прийшли астрономи, що опублікували статтю в журналі Physical Review D.

«Надлегкі частинки давно стали одним з найяскравіших прикладів потенційної «нової фізики». Вони цілком можуть існувати у Всесвіті, але відкрити їх сліди вкрай складно з практичної точки зору. Ми дізналися, як їх можна знайти в гравітаційному випромінюванні злиття чорних дір», — пишуть Деніел Бауманн (Daniel Baumann) з університету Амстердама (Нідерланди) і його колеги.

Досить тривалий час вчені вважали, що Всесвіт складається з тієї матерії, яку ми бачимо, і яка складає основу всіх зірок, чорних дір, туманностей, скупчень пилу і планет. Але перші спостереження за швидкістю руху зірок у прилеглих до нас галактиках показали, що світила на їх околицях рухаються в них неможливо з високою швидкістю, яка була приблизно в 10 разів вище, ніж показували розрахунки на базі мас всіх світил в них.

Причиною цього, як сьогодні вважають вчені, була так звана темна матерія – загадкова субстанція, на чию частку припадає приблизно 75% від маси матерії у Всесвіті. Як правило, в кожній галактиці приблизно в 8-10 разів більше темної матерії, ніж її видимої «кузини», і ця темна матерія утримує зірки на місці і не дає їм «розбігтися».

Сьогодні майже всі вчені впевнені в існуванні темної матерії, однак її властивості, крім очевидного гравітаційного впливу на галактики і скупчення галактик, залишаються загадкою і предметом суперечок серед астрофізиків і космологів. Досить довго вчені припускали, що вона складена з надважких і холодних частинок-«вимпів», які ніяк не виявляють себе, крім як притягаючи видимі скупчення матерії.

Безуспішні пошуки «вимпів» в останні два десятиліття змусили багатьох теоретиків вважати, що темна матерія насправді може бути «легкою і пухнастою» і складатися з так званих аксионів – надлегких частинок, схожих по масі і властивостями на нейтрино. Їх перші пошуки теж завершилися безрезультатно, що робить цю невидиму субстанцію ще більш загадковою.

Бауманн і його колеги сформулювали вкрай неортодоксальний спосіб пошуку цих частинок, вивчаючи те, що відбувається в околицях пари обертових чорних дір, які готуються злитися один з одним.

Як помітили вчені, їх рух буде особливим чином впливати на структуру навколишнього простору-часу, сприяючи появі аксионів та інших надлегких частинок, і перешкоджаючи їх взаємній анігіляції і самознищення.

В результаті цього чорні діри оточить своєрідна «атмосфера» або «хмара» з аксионів, як називають цю структуру вчені. Воно буде поводитися подібно штучному атому, гальмуючи їх рух, випромінюючи гравітаційні хвилі і особливим чином впливаючи на процес їх злиття.

Цей вплив, в свою чергу, буде особливо яскраво проявлятися під час так званого «дрижання» – особливої фази в житті новонародженої чорної діри, коли вона скидає надлишки енергії обертання у вигляді гравітаційних хвиль. В цей час вона не схожа на ідеальну кулю, а на витягнутий або розтягнутий еліпс, який поступово набуває «нормальну» форму.

Як показують розрахунки Бауманна і його колег, якщо аксіони або інші легкі частинки існують, то їх хмара різко зникне після злиття і під час початку «дрижання», послабить породжувані цим процесом гравітаційні хвилі і внесе унікальні спотворення в них.

Можна знайти подібні коливання? Наземні гравітаційні телескопи, такі як LIGO і ViRGO, за словами астрофізиків, навряд чи зможуть вирішити цю задачу, оскільки для цього потрібно знайти пару чорних дір у Чумацькому Шляху, дуже близьку до злиття. Це вкрай малоймовірно.

З іншого боку, орбітальна обсерваторія LISA, здатна стежити за надмасивними чорними дірами в інших галактиках, цілком повинна впоратися з цим завданням, і знайти сліди всіх можливих легких частинок.

Якщо ця ідея виправдає себе, то такі пари чорних дір, як вважають вчені, стануть для нас своєрідними «гравітаційними колайдерами», здатними реально шукати «нову фізику» за межами Стандартної моделі.