Учёные предложили искать тёмную материю по искажениям гравитационных волн при слиянии чёрных дыр
Учёные предложили новый способ поиска тёмной материи, основанный не на прямом наблюдении частиц, а на анализе гравитационных волн, возникающих при слиянии чёрных дыр. Согласно исследованию, опубликованному в журнале «Physical Review Letters», такие события могут нести в себе едва заметные следы тёмной материи, если слияние происходит в её плотных областях.
До сих пор тёмная материя оставалась одной из главных нерешённых загадок современной физики. Несмотря на то что она, по оценкам, составляет около 85 процентов всей материи во Вселенной, её не удаётся зарегистрировать напрямую. Её существование выводится косвенно — по аномально высокой скорости вращения галактик и особенностям формирования крупномасштабных космических структур, которые невозможно объяснить видимым веществом.
Поскольку тёмная материя почти не взаимодействует с обычным веществом, за исключением гравитации, традиционные методы её поиска — от подземных детекторов до ускорителей частиц — не дали результата. В новой работе исследователи предложили принципиально иной подход: искать не саму тёмную материю, а её влияние на астрофизические процессы.
В центре исследования находятся гравитационные волны — возмущения пространства-времени, впервые напрямую зарегистрированные в 2015 году установкой LIGO. С тех пор международные коллаборации LIGO–Virgo–KAGRA зафиксировали десятки слияний чёрных дыр, превратив гравитационно-волновую астрономию в один из самых динамично развивающихся разделов астрофизики.
Авторы работы показали, что если чёрные дыры сталкиваются внутри областей, насыщенных гипотетическими ультралёгкими скалярными частицами, которые рассматриваются как кандидаты на роль тёмной материи, то сигнал гравитационных волн может незначительно искажаться. Такие частицы способны формировать плотные облака вокруг быстро вращающихся чёрных дыр благодаря процессу суперрадиации, при котором энергия вращения чёрной дыры передаётся окружающему полю.
В некоторых сценариях плотность таких структур может превышать среднюю плотность тёмной материи в галактике более чем на 30 порядков. Если две чёрные дыры начинают сближение внутри подобной среды, окружающее скалярное поле способно слегка изменить их орбитальную динамику, что приводит к микроскопическим, но потенциально измеримым отклонениям в характеристиках гравитационно-волнового сигнала.
Вместо стандартного сигнала с нарастающей частотой и амплитудой, ожидаемого при слиянии в вакууме, такие волны могут демонстрировать едва заметные изменения фазы и времени прихода сигнала. Для проверки этой гипотезы исследователи построили полуаналитическую модель гравитационно-волновых сигналов для систем, погружённых в скалярную тёмную материю, и подтвердили её с помощью численного моделирования в рамках общей теории относительности.
Моделирование показало, что структуры, напоминающие тёмную материю, могут частично сохраняться даже в ходе интенсивного сближения чёрных дыр, вопреки более ранним предположениям. Это означает, что такие среды потенциально способны оставлять наблюдаемые следы в регистрируемых сигналах.
Далее исследователи применили свою модель к реальным данным, проанализировав 28 событий из каталога GWTC-3, зарегистрированных детекторами LIGO, Virgo и KAGRA. Большинство сигналов полностью соответствовали ожиданиям слияний в пустом пространстве, однако одно событие, обозначенное как GW190728 и зафиксированное в 2019 году, выделилось на общем фоне.
При анализе с учётом эффектов суперрадиации этот сигнал показал слабое предпочтение модели, предполагающей наличие окружающей скалярной среды. Статистическая значимость соответствия оказалась умеренной — порядка ln(B) ≈ 3,5 по байесовскому фактору, что недостаточно для заявления об открытии, но достаточно для привлечения внимания научного сообщества.
Авторы подчёркивают, что речь не идёт об обнаружении тёмной материи. Возможны альтернативные объяснения, включая ограничения текущих моделей сигналов или неизвестные астрофизические эффекты. Тем не менее, исследование указывает на возможность того, что часть гравитационно-волновых событий может происходить не в вакууме, как считалось ранее, а в более сложных космических средах.
Учёные также отмечают, что будущие наблюдения с использованием действующих и перспективных детекторов, таких как Einstein Telescope и Cosmic Explorer, позволят значительно повысить чувствительность к подобным эффектам. Это может сделать возможным выделение крайне слабых следов окружающей среды в сигналах слияний чёрных дыр.
Таким образом, работа открывает новое направление в поиске тёмной материи, где ключевым инструментом становятся не частицы и телескопы, а сами «звуки» пространства-времени, возникающие при катастрофических космических событиях.
Исследование в журнале Physical Review Letters.