По мнению исследователей, информация о гипотетических, крайне маломассивных частицах может быть заложена в гравитационных волнах, возникающих при слиянии черных дыр.
Существуют теории, выходящие за пределы Стандартной модели физики элементарных частиц, которые предсказывают наличие новых частиц, обладающих чрезвычайно малой массой – значительно меньшей, чем у самых легких известных частиц. Из-за их крайне слабого взаимодействия с обычной материей, их трудно обнаружить с помощью стандартных ускорителей частиц и детекторов темной материи. Однако физики Дэниел Бауманн и Хорнг Шэн Чиа из Амстердамского университета, а также Рафаэль Порто из DESY в Гамбурге продемонстрировали, что такие частицы могут быть идентифицированы в гравитационных волнах, возникающих при слиянии черных дыр. Их статья опубликована в журнале Physical Review D.
Природа включает в себя два типа частиц: фермионы, являющиеся строительными блоками всего вещества, и бозоны, обеспечивающие взаимодействие между ними. Сверхлегкие бозоны способны формировать крупные конденсаты вокруг быстровращающихся черных дыр в процессе сверхизлучения. Черную дыру с таким бозонным облаком иногда называют «гравитационным атомом», так как ее конфигурация сильно напоминает — пусть и на гораздо большем масштабе — протон-электронную структуру атома водорода. Например, как и электрон в атоме водорода, бозонное облако вокруг черной дыры может находиться в нескольких разных состояниях, каждое из которых будет обладать конкретной энергией.
При взаимодействии с лазером определенной энергии, переходы между различными энергетическими уровнями атома водорода становятся возможными. Электрон может перемещаться с одного состояния в другое, если энергия лазера соответствует требуемой. Аналогичный эффект может наблюдаться и в гравитационном атоме, если он является частью пары сливающихся черных дыр. В этом случае гравитационное влияние второй черной дыры сыграет роль «лазера» и спровоцирует переходы бозонного облака между разными энергетическими уровнями.
В последнее время физики получили возможность измерять гравитационные волны — рябь в гравитационном поле, возникающую при слиянии двух черных дыр в одну. Согласно исследованиям Бауманна, Чиа и Порто, наличие переходов между энергетическими уровнями в предполагаемом бозонном облаке может оставить характерный «отпечаток» в сигналах гравитационных волн, производимых такими сливающимися черными дырами. Наблюдение такого отпечатка стало бы важным испытанием для теорий, предсказывающих сверхлегкие бозонные частицы. Несмотря на то что современные гравитационно-волновые наблюдения пока недостаточно чувствительны для наблюдения такого эффекта, это непременно станет одной из важных целей будущих экспериментов.