Существуют ли гравитационные волны, несущие информацию о темной материи? Исследователи, поразмыслив над этим вопросом, полагают, что в данных, полученных при регистрации слияния черных дыр детекторами LIGO, VIRGO и KAGRA, могут присутствовать признаки необычайно легких скалярных частиц – потенциальных кандидатов в темную материю.
Начиная с 2015 года, когда были впервые зарегистрированы гравитационные волны, изучение этого явления приобретает всё большую популярность и ведёт к открытию необычных явлений. Еще на заре исследований ученые высказывали предположения, что облака тёмной материи, потенциально окружающие чёрные дыры, способны незначительно изменять траектории движения объектов и искажать форму гравитационного сигнала.
Недавние исследования предоставили дополнительные доказательства в пользу этой гипотезы: астрофизики, изучая возможное воздействие темной материи на перемещение небольших объектов и распространение гравитационных волн заключили, согласно исследованиям, распределение темной материи в космическом пространстве и в окрестностях слияния черных дыр может приводить к деформации гравитационных волн.
В последнее время исследователи стали уделять больше внимания крайне легким скалярным частицам – гипотетическим элементам с незначительной массой, таким как аксионы и их аналоги. В случае, если темная материя сформирована из подобных частиц, определенные теоретические модели предполагают, что они способны формировать плотные скопления вблизи вращающихся черных дыр вследствие явления сверхизлучения, при котором черная дыра передает часть своей вращательной энергии этим частицам).
Для оценки возможности обнаружения признаков подобных облаков с помощью обсерваторий LIGO, VIRGO и KAGRA, ученые разработали специализированную модель гравитационных волн. Она позволяет оценить воздействие облака на траекторию движения системы из двух черных дыр. После этого модель проверили, используя сложные численные расчеты, в которых черные дыры сливались, находясь внутри облака темной материи.
Оказалось, что наличие газовой среды незначительно увеличивает скорость спирального сближения черных дыр. Это приводит к изменению частоты гравитационных волн, которые и фиксируют детекторы. В стандартных моделях, не учитывающих влияние окружающей среды, подобные отклонения могут быть неверно истолкованы как наличие дополнительных масс или иных параметров системы.
После изучения представленной модели авторы работы провели анализ 28 событий, взятых из каталога GWTC-3. В большинстве ситуаций полученные данные соответствовали ожидаемым результатам, не включающим темную материю. Тем не менее, в двух событиях — GW190814 и, в особенности, GW190728 — исследователи обнаружили отклонения от нормы. В случае с событием GW190728 статистический анализ показал небольшую вероятность того, что черные дыры были окружены облаком темной материи.
Если полученные результаты соответствуют действительности, то речь может идти о частице с массой, сопоставимой с 10⁻¹² электронвольт. Это крайне небольшая величина: подобные частицы были бы настолько легкими, что их поведение больше напоминало бы волновое, нежели типичное для обычной темной материи. Тем не менее, некоторые научные коллективы рассматривают подобные объекты как потенциальных носителей «волновой» темной материи, способной разрешить ряд космологических проблем.
Авторы научной работы, опубликованной в журнале Physical Review Letters, ученые отметили, что не стоит говорить об обнаружении сигнала. Он по-прежнему остается статистически незначительным, а подобные явления могут быть вызваны другими причинами, такими как газ вблизи черных дыр или особенности их траекторий. Проще говоря, это очень слабый эффект, нуждающийся в дополнительной проверке. Тем не менее, исследование продемонстрировало, что гравитационные волны постепенно становятся не только полезным инструментом для астрофизических исследований, но и методом поиска новой физики.
В научном сообществе все чаще высказываются сомнения относительно того, что темная материя представляет собой совокупность частиц. Несмотря на уверенность ученых в ее наличии, ни одна из множества гипотез о природе ТМ так и не получила подтверждения.