Искажение гравитационных волн, регистрируемых интерферометрами, может быть вызвано распределением невидимой материи вблизи слияния черных дыр и в космическом пространстве. Этот вывод был сделан астрофизиками в результате анализа потенциального воздействия темной материи на траектории компактных объектов и на распространение гравитационных сигналов.
Темная материя считается одним из ключевых компонентов космоса. Впервые о возможности ее существования заговорил Фриц Цвикки еще в 1930-х. Позже, наблюдая за вращением галактик, Вера Рубин и Кент Форд показали, что видимого вещества недостаточно для объяснения их динамики. Сегодня ученые предполагают, что темная материя играет решающую роль в формировании галактик и крупномасштабной структуры Вселенной — структуры распределения вещества на самых больших наблюдаемых масштабах. Правда, природа этой таинственной субстанции по-прежнему не известна.
Считалось, что слабо взаимодействующие массивные частицы, известные как вимпы (WIMPs), могут являться компонентами темной материи. Эти частицы не только хорошо согласуются со Стандартной космологической моделью, но и получили широкое распространение благодаря так называемому «WIMP-чуду» – теоретическому совпадению, которое объясняет современную наблюдаемую плотность темной материи. Однако, поскольку ни один эксперимент не предоставил убедительных доказательств существования вимпов, ученые сосредоточились на изучении альтернативных гипотез, о чем Naked Science рассказывал ранее.
В последние годы гравитационные волны, или гравиволны – рябь в структуре пространства-времени, возникающая при быстром перемещении массивных объектов, стали важным средством для исследования Вселенной. Напомним, что Альберт Эйнштейн предсказал их существование, а первое прямое обнаружение состоялось в 2015 году. С тех пор гравитационно-волновая астрономия быстро развивается: детекторы LIGO, VIRGO и KAGRA регистрируют десятки событий, а будущие интерферометры, включая LISA, Taiji и TianQin, смогут наблюдать низкочастотные волны от гораздо более массивных и удаленных систем.
Авторы нового исследования, опубликованного на сервере препринтов Корнеллского университета, рассмотрели несколько механизмов, с помощью которых темная материя может влиять на гравитационные волны. Выяснилось, что она способна менять динамику самих источников волн.
При наличии плотного облака темной материи вокруг сверхмассивной черной дыры, объект с меньшей массой, такой как черная дыра или нейтронная звезда, будет постепенно терять энергию не только посредством излучения гравитационных волн, но и в результате взаимодействия с окружающей ее невидимой материей.
Этот эффект описывается динамическим трением: частицы тёмной материи оказывают сопротивление движению объекта, что приводит к изменению скорости эволюции его орбиты. Это, в свою очередь, влияет на фазу и форму гравитационного сигнала, фиксируемого детекторами.
Также, темная материя способна оказывать воздействие на распространение гравитационных волн. Плотные скопления невидимой материи, расположенные на пути сигнала, могут выступать в роли гравитационных линз, искажая траекторию волн и изменяя их амплитуду. В определенных ситуациях это может вызывать заметные колебания в интенсивности сигнала или даже приводить к формированию нескольких копий одной и той же волны, достигающих детектора с незначительной задержкой по времени.
Согласно проведенным теоретическим расчетам, влияние темной материи потенциально может быть зафиксировано напрямую в данных детекторов, формируя специфический периодический сигнал. Астрофизики пришли к такому заключению, изучая, как облака темной материи, окружающие черные дыры и другие компактные объекты, воздействуют на их орбиты и искажают форму регистрируемых гравитационных волн.
В случае, если удастся зафиксировать подобные проявления в реальных астрономических данных, гравитационно-волновая астрономия может предоставить новый метод исследования темной материи. Тогда исследователи получат возможность изучать ее характеристики не только посредством редких столкновений частиц в лабораторных условиях, но и по незначительным отклонениям в сигналах, исходящих от масштабных космических событий. Распределение невидимой материи во Вселенной станет доступным для первого «визуального» изучения благодаря перспективным гравитационно-волновым обсерваториям, в первую очередь миссии LISA, старт которой намечен на 2034 год.