Физики ищут следы темной материи в гравитационных волнах от слияния черных дыр

С момента первого обнаружения гравитационных волн в 2015 году исследования в этой области становятся все более экзотическими. Теоретики давно предполагали, что если вокруг черных дыр существуют облака темной материи, они могут слегка менять движение объектов и форму гравитационного сигнала. Эта гипотеза недавно получила подкрепление: проанализировав потенциальное влияние темной материи на движение компактных объектов и распространение гравитационных сигналов, астрофизики заключили, что распределение темной материи в космическом пространстве и вокруг сливающихся черных дыр способно искажать форму гравитационных волн.

Теперь ученые обратили внимание на особо легкие скалярные частицы — гипотетические частицы с чрезвычайно малой массой, в том числе аксионы и похожие на них частицы. Если темная материя состоит именно из таких частиц, то в некоторых моделях они могут образовывать плотные облака вокруг вращающихся черных дыр благодаря эффекту сверхизлучения: черная дыра передает этим частицам часть энергии своего вращения.

Моделирование и первые результаты

Чтобы проверить, можно ли увидеть следы подобных облаков в реальных данных LIGO, VIRGO и KAGRA, исследователи создали специальную модель гравитационных волн, учитывающую влияние такого облака на движение двойной системы черных дыр. Затем модель протестировали на сложных численных симуляциях, где космические «монстры» сливались внутри облака темной материи. Выяснилось, что присутствие облака слегка ускоряет спиральное сближение черных дыр. Из-за этого меняется частота гравитационных волн — тот самый нарастающий сигнал, регистрируемый детекторами. В обычных моделях без окружающей среды такие отклонения можно ошибочно интерпретировать как другие массы или параметры системы.

Проверив модель, авторы статьи проанализировали 28 событий из каталога GWTC-3. В большинстве случаев данные хорошо согласовывались с обычной картиной без темной материи. Однако в двух событиях — GW190814 и особенно GW190728 — ученые заметили кое-что необычное. Для GW190728 статистический анализ выявил умеренное предпочтение сценарию, в котором черные дыры окружало облако темной материи.

Перспективы и ограничения

Если выводы верны, речь может идти о частице с массой порядка 10⁻¹² электронвольт. Это чрезвычайно малая величина: такие частицы были бы настолько легкими, что вели бы себя скорее как волны, а не обычные частицы темной материи. Подобные объекты, однако, некоторые группы ученых рассматривают как кандидаты на «волновую» темную материю, способную объяснить ряд космологических загадок.

Авторы научной работы, опубликованной в журнале Physical Review Letters, подчеркнули, что речь не идет об открытии. Сигнал остается статистически слабым, а похожие эффекты могут возникать из-за других факторов, например газа вокруг черных дыр или особенностей их орбит. Иными словами, речь идет об очень слабом эффекте, требующем дальнейшей проверки.

Исследование тем не менее показало, что гравитационные волны постепенно превращаются не только в инструмент астрофизики, но и в способ поиска новой физики в целом. Отметим, в научном сообществе все чаще сомневаются в том, что темная материя состоит из частиц. Хотя в ее существовании исследователи уверены, ни одна из множества гипотез о природе темной материи так и не получила подтверждения.