Гравитационные волны от чёрных дыр могут выдать тёмную материю

Гравитационные волны от сталкивающихся чёрных дыр могут нести отпечаток тёмной материи. Физики разработали метод, позволяющий выявить такие следы в данных, полученных на Земле.

Исследователи из Массачусетского технологического института и европейских центров применили этот подход к архивным данным гравитационно-волновых обсерваторий LIGO, Virgo и KAGRA (LVK). Они проанализировали 28 наиболее чётких сигналов, зарегистрированных за первые три наблюдательные кампании. Двадцать семь из них соответствовали слиянию чёрных дыр в пустом пространстве, как и предсказывала теория. Однако один сигнал, получивший обозначение GW190728, продемонстрировал возможные признаки влияния тёмной материи.

Физики подчёркивают, что речь пока не идёт об открытии тёмной материи. Предложенный метод даёт новый способ «просеивать» гравитационно-волновые данные в поисках намёков на загадочное вещество. Впоследствии эти подозрительные сигналы можно проверить с помощью других независимых техник.

Что такое тёмная материя? Это гипотетическая форма материи, которая не взаимодействует с электромагнитным полем, а значит — не излучает, не поглощает и не отражает свет. Единственная сила, которая её «замечает», — гравитация. Астрономы наблюдают, как гравитация искажает свет далёких галактик (явление гравитационного линзирования), и приходят к выводу, что видимой массы галактик недостаточно для объяснения этих искажений. Недостающую часть приписывают тёмной материи, на долю которой, по разным оценкам, приходится более 85% всей материи Вселенной.

Одна из гипотез предполагает существование «лёгких скалярных» частиц тёмной материи, масса которых на много порядков меньше массы электрона. Вблизи быстро вращающихся чёрных дыр такие частицы должны вести себя не как отдельные объекты, а как согласованные волны. Явление, известное как суперрадиация, позволяет чёрной дыре передавать свою энергию вращения этим волнам, многократно усиливая плотность тёмной материи.

Команда под руководством Хосу Ауррекоэчеа из MIT разработала модель, которая предсказывает форму гравитационной волны (так называемый волновой шаблон) от сливающейся двойной чёрной дыры в зависимости от свойств окружающей тёмной материи. Учёные перебрали множество сценариев: разную массу чёрных дыр, плотность тёмного облака, расстояние до Земли. Затем они сравнили эти предсказания с реальными сигналами, зарегистрированными LVK.

Из 28 проанализированных событий только одно — GW190728 — показало «предпочтение» в пользу модели с тёмной материей. Согласно расчётам, чёрные дыры общей массой около 20 солнечных масс могли слиться внутри плотного облака тёмной материи и породить волну, очень похожую на ту, что была зафиксирована 28 июля 2019 года. Статистическая значимость этого совпадения пока недостаточна для уверенного заявления об открытии.

«Без таких волновых моделей, как наша, мы рисковали бы систематически классифицировать слияния в тёмной материи как происходящие в пустоте», — поясняет Ауррекоэчеа. Его коллега Соумен Рой, руководивший анализом данных, добавляет: «Теперь у нас есть потенциальная возможность обнаружить тёмную материю вокруг чёрных дыр по мере того, как детекторы LVK будут накапливать новые наблюдения в ближайшие годы». Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.