Команда ученых из Амстердамского университета предложила принципиально новый способ изучать неуловимую темную материю — помогут в этом гравитационные волны, исходящие от черных дыр.
Специалисты сосредоточили свое внимание на особом классе астрономических систем — так называемых экстремальных отношениях масс при спиральном сближении. Такие системы возникают, когда относительно небольшая черная дыра, которая появилась при коллапсе одиночной звезды, движется по орбите вокруг сверхмассивной черной дыры в центре галактики. Постепенно меньший объект приближается к большему по спирали, и этот медленный танец длится месяцы или даже годы, порождая непрерывный поток гравитационных волн.
Именно такие сигналы будет регистрировать космическая антенна LISA Европейского космического агентства, запуск которой намечен на 2035 год. За время наблюдений астрономы смогут отследить сотни тысяч и даже миллионы отдельных витков спиральной орбиты. Эти данные станут своеобразными космическими отпечатками пальцев, способными рассказать о распределении любой материи вблизи массивных черных дыр, в том числе, темной материи, которая до сих пор оставалась неуловимой.
Ключевая новизна работы амстердамских физиков Родриго Висенте, Теофанеса Каридаса и Джанфранко Бертоне состоит том, что ученые создали полностью релятивистскую модель, целиком основанную на общей теории относительности Эйнштейна. В прежних исследования нередко использовались упрощенные ньютоновские приближения, которые упускали важные физические эффекты. Новый подход позволяет значительно точнее рассчитать, как именно окружающая среда — в том числе темная материя — влияет на орбиту малой черной дыры и на характеристики испускаемых гравитационных волн.
Особое внимание ученые уделили плотным скоплениям темной материи, которые могут формироваться вокруг сверхмассивных черных дыр. Такие структуры иногда называют «пиками» или «куполами». Расчеты показали, что подобные уплотнения материи должны оставлять характерные следы в гравитационно-волновых сигналах, которые можно будет зарегистрировать.
Работа нидерландских физиков является важным шагом к масштабной научной цели — использованию гравитационных волн для картографирования распределения темной материи во Вселенной и понимания ее фундаментальной природы. Прежде чем обсерватории нового поколения начнут собирать данные, ученым необходимо знать, какие именно сигналы искать и как их интерпретировать.
Ранее ученые разработали нейтринные детекторы для поиска «легкой» темной материи.
