Странни вълни в пространство-времето може да са първият отпечатък от тъмната материя

Физици от Масачузетския технологичен институт и няколко европейски института са разработили метод за откриване на евентуални следи от тъмна материя, скрита в гравитационни вълни. Тези вълни в пространство-времето се генерират, когато масивни обекти, като черни дупки, се въртят спираловидно една към друга и се сливат. Ако черните дупки преминат през плътни облаци от тъмна материя, преди да се сблъскат, получените гравитационни вълни могат да носят фини следи от това взаимодействие.

Екипът тества своя подход, използвайки публично достъпни данни, събрани от мрежата от обсерватории LIGO-Virgo-KAGRA (LVK), които наблюдават сливания на черни дупки и други далечни космически събития.

Изследователите са анализирали сигналите, получени по време на първите три цикъла на наблюдение на LVK. Те се фокусирали върху 28-те най-ясни събития на гравитационни вълни, регистрирани до момента.

За 27 от тези събития сигналите съвпадат с очакванията на учените от сливания на черни дупки в празно пространство.

Но един сигнал, известен като GW190728, изглежда различно. Според анализа на екипа, структурата на тази гравитационна вълна може да съдържа доказателства за взаимодействия с тъмна материя.

Изследователите подчертават, че това не е потвърдено откритие на тъмна материя. Вместо това, новата техника предоставя начин за сканиране на данни за гравитационни вълни за обещаващи сигнали, които след това могат да бъдат изучавани по-подробно.

"Знаем, че тъмната материя е навсякъде около нас. Тя просто трябва да е достатъчно плътна, за да видим нейните ефекти", казва Джосу Аурекоечеа (Josu Aurrekoetxea), постдокторант в катедрата по физика на Масачузетския технологичен институт. "Черните дупки осигуряват механизъм за увеличаване на тази плътност, който сега можем да търсим, анализирайки гравитационните вълни, излъчвани при сливането им."

Резултатите от изследването са публикувани в списанието Physical Review Letters.

Тъмната материя остава една от най-големите мистерии на физиката. Учените правят изводи за нейното съществуване, защото гравитацията около галактиките изглежда по-силна, отколкото може да се обясни само с видимата материя.

Настоящите оценки показват, че тъмната материя може да съставлява повече от 85% от цялата материя във Вселената. Една от предложените форми включва изключително леки частици, наречени "леки скаларни*" частици. Теориите предполагат, че тези частици могат да се държат като координирани вълни близо до черни дупки.

Скаларните частици имат нулев спин, което означава, че тя изглежда еднакво от всяка гледна точка и не притежава вътрешен спин (въртене) или посока. Нейното квантово състояние се описва само с една числова стойност (скалар), тя не е вектор, т.е. една скаларна частица няма нужда от още една величина като спин/посока, което да я определя.

Учените смятат, че когато тези вълни срещнат бързо въртяща се черна дупка, нейната ротационна енергия може да се прехвърли на вълните на тъмната материя, значително увеличавайки тяхната плътност. Този процес, известен като свръхрадиация, е сравняван с разбиването на сметана в масло. Ако плътността стане достатъчно висока, тъмната материя може да промени гравитационните вълни, генерирани от сблъскващите се черни дупки.

За да проучат тази възможност, изследователите са създали подробни симулации на сливания на черни дупки при различни условия. Използвайки тези симулации, екипът е предсказал как биха изглеждали гравитационните вълни, ако черните дупки се слеят в плътна среда от тъмна материя, а не във вакуум. След това те сравняват своите прогнози с действителните наблюдения на LVK. От 28-те най-силни сигнала, GW190728 е единственото събитие, съответстващо на сценария с тъмна материя.

Сигналът GW190728 е засечен за първи път на 28 юли 2019 г. Предишни изследвания са установили, че сигналът произлиза от две черни дупки с комбинирана маса приблизително 20 пъти по-голяма от тази на Слънцето. Според новия анализ, тези черни дупки може да са се слели в плътен облак от тъмна материя.

"Статистическата значимост на това не е достатъчно висока, за да се обяви за откриване на тъмна материя и независими групи трябва да проведат допълнителни проверки", отбелязва Аурекоечеа. "Смятаме за важно да подчертаем, че без модели на вълнови форми като нашите, бихме могли да открием сливания на черни дупки в среда на тъмна материя, но систематично да ги класифицираме като случващи се във вакуум."

Изследователите казват, че нарастващият брой наблюдения на гравитационни вълни би могъл да направи този подход все по-полезен през следващите години.

"Сега имаме потенциала да откриваме тъмна материя около черни дупки, тъй като детекторите LVK продължават да събират данни през следващите години", коментира съавторът на изследването Сумен Рой (Soumen Roy), който е ръководил част от анализа на данните. "Това е вълнуващо време за търсене на нова физика, използваща гравитационни вълни."

Справка: Scalar Fields around Black Hole Binaries in LIGO-Virgo-KAGRA; Soumen Roy, Rodrigo Vicente, Josu C. Aurrekoetxea, Katy Clough and Pedro G. Ferreira; Phys. Rev. Lett. 136, 191402 – Published 12 May, 2026; DOI: https://doi.org/10.1103/fv9z-zkxx

Източник: A new way to spot signs of dark matter, Jennifer Chu, MIT News

Още по темата

21/08/2025

Космос

По-близо от всякога до откриването на частици тъмна материя

23/07/2024

Космос

Частици тъмна материя помагат на свръхмасивните черни дупки да се слеят

12/02/2019

Физика

Гравитационните вълни могат да разкрият нови ултралеки частици тъмна материя

02/03/2018

Космос

Светлината на първите звезди показва възможните частици тъмна материя