Вчені вигадали новий спосіб знайти темну матерію — у цьому нам допоможуть сліди чорних дір

Ці сигнали можна порівняти зі звичайними хвилями, що виникають після кидку каменю у воду. Вплив гравітаційних хвиль на Землі відчути неможливо — наша планета занадто маленька, щоб їхня дія хоч якось вплинула на неї.

У 2021 році вчені виявили найбільшу кількість гравітаційних хвиль за всю історію спостережень — за майже шість років дослідники вловили понад сто гравітаційно-хвильових подій.

Більшість подій було викликано злиттям чорних дір — і ми писали про найцікавіші з них. Наприклад, сигнал GW190521 ймовірно дійшов до нас після злиття двох чорних дір, що створило неможливу чорну діру.

Також влітку вчені вперше змогли зафіксувати поглинання нейтронної зірки чорною дірою — це вперше, коли астрофізикам вдалося натрапити на слід такої події.

Поглинання нейтронної зірки чорною дірою

Проте чим більше ми дізнаємося про гравітаційні хвилі, тим краще розуміємо їхні властивості. Згодом вчені впевнені, що вони допоможуть нам розкрити не одну таємницю Всесвіту. Так, дослідники розраховують одного разу вловити космологічні гравітаційні хвилі, які могли виникнути в ранньому Всесвіті і, можливо, допоможуть нам «почути» Великий вибух. А деякі вчені сподіваються, що гравітаційні хвилі одного разу допоможуть нам впоратися з «кризою космології, що насувається» — неможливості уточнити швидкість розширення Всесвіту.

Ще одне потенційне застосування цих потужних сигналів — пошук темної матерії. Це загадковий компонент космосу, який займає 85% матеріального Всесвіту. Все, що оточує нас — від автомобілів до гігантських планет та зірок — займає лише 15% нашого світу.

Науковці жодного разу не бачили темну матерію безпосередньо, проте відомо про її існування, оскільки вона взаємодіє з тими об'єктами, які ми можемо безпосередньо спостерігати. Вважається, що темна матерія є основою найбільшої структури Всесвіту — космічного павутиння. Саме на цих переплетеннях «павутинок» і формуються галактики.

Звідки взялася темна матерія, що утримує її у просторі — це мала частина питань, на які вчені досі не можуть знайти відповіді. Однак наразі головним завданням є практичний доказ її існування. І в цьому нам також можуть допомогти гравітаційні хвилі.

«Гравітаційні хвилі не лише дають нам інформацію про таємничі компактні об'єкти, такі як нейтронні зірки чи чорні діри; вони так допоможуть нам у пошуках нових частинок та темної матерії», — каже Лілі Сан, астрофізик із Австралійського національного університету.

Сан — один зі співавторів нового дослідження, яке вийшло на сервісі препринтів arXiv. Вчені пропонують шукати темну матерію в хмарах бозонів — надлегких субатомних частинок, передбачених теоріями, що виходять за межі стандартної моделі.

Ці частки практично неможливо виявити Землі. Якщо вони й існують, то мають надзвичайно невелику масу і практично не взаємодіють з іншою матерією. І це, в свою чергу, одна із ключових властивостей темної матерії. Вчені вважають, що ці частки можна буде виявити біля найпотужніших космічних лабораторій у Всесвіті — біля активних чорних дір.

«Нам видається, що ці чорні діри захоплюють величезну кількість бозонних частинок своїм потужним гравітаційним полем, створюючи хмару, що обертається. Цей танець триває протягом мільйонів років і генерує гравітаційні хвилі, які мчать крізь увесь космос», — пояснює Сан.

Досі дослідники не фіксували жодної подібної гравітаційної хвилі, проте справа не у відсутності спроб це зробити — просто попередні експерименти були зосереджені виключно на Чумацькому Шляху.

«Ми дізналися, що певні бозонні хмари навряд чи є десь у нашій галактиці. Хмари віком до 10 мільйонів років також навряд чи існуватимуть на відстані приблизно 3260 світлових років від Землі», — каже вчена. Зараз дослідники планують покращити свої методи пошуку — тим паче, що над детекторами гравіаційних хвиль LIGO та Virgo саме зараз працюють інженери, щоб згодом вчені отримали потужнішу техніку.

«Це значно збільшить ймовірність виявлення гравітаційного випромінювання від цих цікавих джерел», — пишуть дослідники у своїй статті.