Физики из США, Великобритании и нескольких европейских научных центров заявили о потенциально сенсационном открытии: темная материя могла быть случайно зафиксирована еще в 2019 году. Речь идет о повторном анализе данных гравитационных волн – слабых колебаний пространства-времени, которые возникают во время грандиозных космических катастроф, таких как столкновение черных дыр. Об этом пишет Science Alert.
Как черные дыры могут помочь найти невидимое вещество?
Темная материя остается одной из самых больших загадок современной физики. Хотя ее никто никогда непосредственно не наблюдал, ученые убеждены в ее существовании из-за ее гравитационного воздействия на галактики и крупномасштабную структуру Вселенной.
По современным оценкам, именно темная материя может составлять примерно 85% всей материи во Вселенной. В то же время ее природа до сих пор неизвестна.
Одна из популярных теоретических моделей предполагает, что она состоит из сверхлегких частиц. В определенных экстремальных условиях, в частности вблизи черных дыр, эти частицы могут вести себя не как отдельные объекты, а как волновое поле, формирующее плотные облака. Именно эту идею и проверили исследователи. Результаты нового исследования, опубликованы в журнале Physical Review Letters. Они предлагают необычный подход к поиску темной материи – через анализ среды, в которой происходят слияния черных дыр.
Физик Родриго Висенте из University of Amsterdam объяснил: "Использование черных дыр для поиска темной материи было бы фантастическим. Это позволило бы исследовать темную материю на гораздо меньших масштабах, чем когда-либо прежде".
Что увидели в сигналах гравитационных волн?
Идея основана на том, что черные дыры, которые быстро вращаются, способны "затягивать" окружающее пространство-время. Если вокруг них существует облако темной материи, ее взаимодействие с этой искривленной средой может менять характер сближения черных дыр.
Такие изменения оставляют специфический "отпечаток" в гравитационных волнах.
Чтобы проверить это, команда создала компьютерную модель, которая показывает, как выглядел бы сигнал от слияния черных дыр внутри плотного облака темной материи, а затем сравнила ее с реальными данными.
Для анализа использовали 28 событий, зафиксированных международной сетью детекторов LVK, в которую входят обсерватории LIGO в США, Virgo в Италии и KAGRA в Японии.
27 сигналов соответствовали обычным моделям слияния в вакууме.
Однако одно событие, зафиксировано в июле 2019 года и обозначено как GW190728, продемонстрировало характеристики, которые могут указывать на столкновение внутри плотного облака темной материи.
Несмотря на захватывающие результаты, сами авторы исследования призывают к осторожности. Физик Джосу Ауррекоетчеа из Massachusetts Institute of Technology подчеркнул: "Статистическая значимость этого результата недостаточно высока, чтобы утверждать об обнаружении темной материи. Необходимы дополнительные проверки независимыми группами".
В то же время он подчеркнул, что без подобных моделей наука может просто не замечать такие события, автоматически классифицируя их как обычные слияния в пустом пространстве. Это означает, что потенциальные сигналы темной материи могут уже содержаться в архивах наблюдений.
Поиск темной материи остается чрезвычайно сложным еще и потому, что ученые до сих пор не знают, какую именно форму она может иметь. Существуют десятки гипотез: от массивных слабовзаимодействующих частиц до первичных черных дыр, образовавшихся в первые мгновения после Большого взрыва.
Есть даже радикальная версия, согласно которой темной материи вообще не существует, а современные модели гравитации просто нуждаются в пересмотре. Именно поэтому новый подход через гравитационные волны может открыть совершенно новый путь исследования.
Почему это открытие важно?
От первого прямого обнаружения гравитационных волн в 2015 году физики зарегистрировали уже сотни подобных событий. Каждое из них содержит информацию о массе, скорости и природе космических объектов, участвовавших в столкновении.
Теперь ученые предполагают, что эти сигналы могут рассказать значительно больше – в частности помочь найти невидимую материю, которая, вероятно, формирует каркас всей Вселенной.
Если дальнейшие проверки подтвердят результаты анализа события GW190728, это может стать одним из важнейших прорывов в фундаментальной физике за последние десятилетия.