Аксионната тъмна материя може да направи вълни в пространство-времето

Гравитационни ефекти на свръхлеки бозонни облаци, образувани от свръхизлъчване на черна дупка

Ваня Милева Последна промяна на 25 ноември 2024 в 00:00 2214 0

Линиите на поляризация, подпис на магнитни полета, около сянката на централната свръхмасивна черна дупка на Млечния път.

Кредит EHT Collaboration
Изображение от телескопа Event Horizon показва линии на поляризация, подпис на магнитни полета, около сянката на централната свръхмасивна черна дупка на Млечния път.

Тъмната материя, съставена от аксиони, може да има силата да накара пространство-времето да звъни като камбана, но само ако е в състояние да открадне енергия от черни дупки според ново изследване.

Една интригуваща възможност за кандидат за мистериозната тъмна материя е, че това може да е аксион. Първоначално предвидени, че съществуват преди десетилетия, за да обяснят някои странни свойства на силната ядрена сила, аксионите все още не са открити в лабораторията или в каквито и да е експерименти. Въпреки това, тази неуловима би ги направила идеален кандидат за тъмна материя, тъй като по дефиниция тъмната материя сякаш не взаимодейства с нормалната материя (освен гравитационно).

Ако тъмната материя е аксион или вид частица, свързана с аксиона, тогава тя би имала много странни свойства. Това ще бъде най-леката известна частица, в някои модели не по-голяма от една милиардна от масата на електрона. Невероятно лека природа на тази частица означава, че тя ще се държи по много странен начин в космоса. Тя ще бъде толкова лека, че нейната квантова вълнова природа ще се прояви в много големи мащаби, което означава, че ще действа повече като вълна, отколкото като частица.

Един от начините, по който тази природа на вълните ще се прояви, е около въртящи се черни дупки. Чрез процес, известен като свръхизлъчване (superradiance), този вид тъмна материя може да открадне ъглов момент от черната дупка. Това ще попречи на тъмната материя да падне през хоризонта на събитията и вместо това ще се натрупа около черната дупка като невидим саван.

Но щом настъпи моментът, в който вече не може да бъде извлечена нова енергия от черната дупка, тъмната материя ще се изпари. В този процес, според нови изследвания, тъмната материя ще звъни в пространство-времето като камбана, изпращайки огромно количество гравитационни вълни.

Илюстрация на бозонов облак около въртяща се черна дупка в реалистична астрофизична среда. Черната дупка губи енергия ES и ъглов импулс LS чрез свръхрадиационноо извличане на скаларни вълни и излъчване на гравитационни вълни, докато натрупва газ от диска, който пренася енергия E ACC  и ъглов импулс L ACC . Забележете, че натрупващият се материал е основно в свободно падане, след като достигне най-вътрешната стабилна кръгова орбита. Кредит: Brito, Richard & Cardoso, Vitor & Pani, Paolo. (2015). Black holes as particle detectors: Evolution of superradiant instabilities. Classical and Quantum Gravity. 32. 10.1088/0264-9381/32/13/134001.

Тези гравитационни вълни биха имали различен подпис от тези, известни чрез сливането на черни дупки. И макар че биха били много по-слаби, тевсе пак ще бъдат в честотните диапазони на откриваемост за съществуващите и планираните обсерватории за гравитационни вълни.

Изследователите предлагат да се проучат съществуващите данни, за да се потърсят евентуални признаци на този вид тъмна материя, събираща се около черни дупки. И ако не се намери това, което търсим, все пак ще може да се прецизират предстоящите експерименти, за да се намери този изненадващ сигнал.

Справка: Self-Gravity Effects of Ultralight Boson Clouds Formed by Black Hole Superradiance; Taillte May, William E. East, Nils Siemonsen; https://doi.org/10.48550/arXiv.2410.21442

Източник: Axion Dark Matter May Make Spacetime Ring, Paul M. Sutter

Концепция на художник за свръхмасивна черна дупка. Кредит: NASA/JPL-Caltech

Аксиони: от сапун до тъмна материя

Протони, неутрони, електрони, фотони - повечето от нас знаят имената на поне някои от тези малки частици. Аксионите не са толкова популярни, и то по очевидна причина: понастоящем те са само хипотетичен вид частици - такива, които все още никой не е открил.

Наречени са на марка сапун и за пръв път са предположени през 70-те години на миналия век, за да се премахне петното - откъдето идва и препратката към сапуна - в разбирането ни за друга частица, която много добре може да се наблюдава: неутрона.

Въпреки че теоретично са много привлекателни, ако тези аксиони съществуваха, те щяха да бъдат изключително леки, което ги прави много трудни за откриване при експерименти или наблюдения.

Днес аксионите са известни и като един от основните кандидати за обяснение на тъмната материя - една от най-големите загадки в съвременната физика. Много различни доказателства сочат, че около 85 % от материята в нашата Вселена е "тъмна", което просто означава, че тя не е нито един вид от познатите ни и наблюдавани в момента вещества.

Съществуването на тъмната материя се предполага само косвено чрез гравитационното влияние, оказвано върху видимата материя. За щастие, това не означава автоматично, че тъмната материя изобщо няма други взаимодействия с видимата материя, но ако такива взаимодействия съществуват, тяхната сила със сигурност е твърде слаба. Така че, както подсказва името, всеки реалистичен кандидат за тъмна материя е изключително трудно да бъде наблюдаван пряко.

Изводът е очевиден: физиците осъзнават, че аксионът може да е точно това, което търсят, за да решат проблема с тъмната материя. Частица, която все още не е наблюдавана, която би била изключително лека и би имала много слаби взаимодействия с други частици - не може ли аксионът да бъде поне част от обяснението на тъмната материя?

Източник: Shrouded in axions, University of Amsterdam

Виж още за:
    Най-важното
    Всички новини

    Още от Физика

    Коментари

    За писането на коментар е необходима регистрация.
    Моля, регистрирайте се от TУК!
    Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

    Няма коментари към тази новина !