Тёмная материя остается одной из самых глубоких тайн современной космологии. Согласно расчетам ученых, на нее приходится подавляющая часть массы Вселенной, однако обнаружить ее прямыми методами до сих пор не удавалось. Поскольку она не взаимодействует с электромагнитным излучением, астрономы могут фиксировать ее присутствие лишь косвенно — через гравитационное влияние.
Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) совместно с европейскими коллегами предложили искать следы этой субстанции в экстремальных условиях: в моменты слияния черных дыр, где гравитация достигает критических значений.
Гравитационные волны как детектор
Для проведения эксперимента ученые использовали данные о гравитационных волнах — микроскопических колебаниях пространства-времени, которые фиксирует международная сеть детекторов LIGO-Virgo-KAGRA (LVK). Гипотеза физиков проста: если слияние происходит не в абсолютном вакууме, а в окружении плотного «облака» тёмной материи, это должно повлиять на параметры гравитационного сигнала.
Для проверки этой теории были созданы детальные компьютерные модели. В качестве кандидатов на роль тёмной материи ученые выбрали сверхлегкие кванты с массой около 10⁻¹² эВ. Согласно квантовой астрофизике, такие частицы ведут себя как протяженные волны. При взаимодействии с вращающейся черной дырой возникает процесс суперрадиации: дыра отдает часть своей энергии вращения окружающему пространству, формируя вокруг себя сверхплотное облако тёмного вещества.
Иллюстрация: Nano Banana
Аномалии в сигналах GW190728 и GW190814
Команда провела байесовский анализ данных 28 наиболее чистых гравитационных сигналов, полученных сетью LVK в ходе первых трех циклов наблюдений. В большинстве случаев результаты идеально вписались в стандартную модель «вакуумного» слияния. Однако два события — GW190728 и GW190814 — продемонстрировали отклонения, выходящие за рамки 95% доверительного интервала.
Наиболее примечательным оказался случай GW190728, зафиксированный 28 июля 2019 года. При моделировании процесса с учетом эффекта суперрадиации новая теория предсказала параметры сигнала гораздо точнее, чем классические расчеты. Статистическая значимость этого совпадения указывает на высокую вероятность того, что черные дыры в этом событии были окружены невакуумной средой.
Перспективы изучения космоса
Несмотря на многообещающие данные, авторы исследования призывают к осторожности и подчеркивают, что текущих наблюдений недостаточно для официального подтверждения открытия. Тем не менее, предложенный метод открывает путь к «прощупыванию» основ фундаментальной физики без строительства гигантских подземных детекторов.
Теперь каждое слияние черных дыр рассматривается как уникальный физический эксперимент. По мере повышения чувствительности обсерваторий LVK база данных пополнится сотнями новых сигналов. В ближайшие годы это позволит либо окончательно зафиксировать «отпечатки» тёмной материи, либо существенно сузить область поиска этой неуловимой компоненты Вселенной.
