Nowa metoda poszukiwania ciemnej materii w falach grawitacyjnych

5 godz. temu | Astronomia/fizyka

Fizycy od dekad szukają ciemnej materii, substancji, która stanowi ponad 85 procent całej materii we wszechświecie. Oddziałuje ona wyłącznie grawitacyjnie, co czyni ją praktycznie niewykrywalną dla tradycyjnych teleskopów i detektorów cząstek. Teraz Soumen Roy z Katolickiego Uniwersytetu w Lowanium, Rodrigo Vincente z Uniwersytetu w Amsterdamie, Josu C. Aurrekoetxea z MIT oraz Katy Clough z Queen Mary University i Pedro G. Ferreira z University of Oxford opracowali nową metodę, która pozwala szukać śladów ciemnej materii w falach grawitacyjnych rejestrowanych na Ziemi.

Gdy czarne dziury krążą wokół siebie i w końcu się łączą, emitują fale grawitacyjne, zaburzenia czasoprzestrzeni rozchodzące się we wszystkich kierunkach. Jeśli ta kosmiczna kolizja przebiega przez obszar gęstej ciemnej materii, fale powinny nieść jej ślad. Jednak by go odczytać, trzeba wiedzieć, czego szukać.

Naukowcy skupili się na pewnej klasie kandydatów na ciemną materię – lekkich cząstkach skalarnych o masie wielokrotnie mniejszej niż elektron. Przewiduje się, że w pobliżu szybko wirujących czarnych dziur cząstki te zachowują się jak skoordynowane fale, a sama czarna dziura może przekazywać im energię rotacji. W efekcie wokół czarnej dziury może narastać gęsta chmura ciemnej materii, zdolna odcisnąć piętno na kształcie fal grawitacyjnych.

Zespół przeprowadził szczegółowe symulacje numeryczne, tworząc model opisujący, jak wyglądałaby fala grawitacyjna z układu dwóch czarnych dziur poruszających się przez środowisko ciemnej materii w porównaniu z parą zderzającą się w próżni. Następnie porównali przewidywania modelu z publicznie dostępnymi danymi z pierwszych trzech serii obserwacyjnych sieci detektorów LIGO–Virgo–KAGRA, analizując 28 najwyraźniejszych sygnałów.

Z wyliczeń wynika, że 27 z 28 zdarzeń zgodnie z oczekiwaniami odpowiadało kolizjom w próżni. Jedno jednak – sygnał GW190728, zarejestrowany 28 lipca 2019 roku – wykazało preferencję dla modelu z ciemną materią. Gdyby wynik się potwierdził – a obecnie jego istotność statystyczna nie jest wystarczająca, by ogłosić odkrycie – wskazywałby na istnienie nowej lekkiej cząstki o masie rzędu 10^–12 elektronowolta.

Autorzy zalecają ostrożność w interpretacji wyników. Nie jest to odkrycie ciemnej materii, a nowa metoda poszukiwania potencjalnych śladów ciemnej materii w falach grawitacyjnych. Śladów, które należy potwierdzić innymi technikami.
Wiemy, że ciemna materia istnieje. Musi być jednak wystarczająco gęsta, byśmy dostrzegli jej wpływ. Czarne dziury dostarczają sposobu na zwiększenie tej gęstości, dzięki czemu możemy szukać ciemnej materii w falach grawitacyjnych emitowanych, gdy czarne dziury się łączą, mówi Aurrekoetxea.

Wyniki badań zostały opublikowane na łamach Physical Review Letters.

ciemna materia fale grawitacyjne cząstki skalarne lekkie cząstki