Слияния черных дыр помогут открыть сверхлегкую темную материю

Наблюдения за "дрожанием" сливающихся черных дыр помогут ученым выяснить, существуют ли аксионы, сверхлегкие частицы темной материи или другие кандидаты на роль "шестой силы природы". К такому выводу пришли астрономы, опубликовавшие статью в журнале Physical Review D.

"Сверхлегкие частицы давно стали одним из самых ярких примеров потенциальной "новой физики". Они вполне могут существовать в нашей Вселенной, но открыть их следы крайне сложно с практической точки зрения. Мы узнали, как их можно найти в гравитационном излучении сливающихся черных дыр", — пишут Дэниель Бауманн (Daniel Baumann) из университета Амстердама (Нидерланды) и его коллеги.

Достаточно долгое время ученые считали, что Вселенная состоит из той материи, которую мы видим, и которая составляет основу всех звезд, черных дыр, туманностей, скоплений пыли и планет. Но первые наблюдения за скоростью движения звезд в близлежащих к нам галактиках показали, что светила на их окраинах движутся в них с невозможно высокой скоростью, которая была примерно в 10 раз выше, чем показывали расчеты на базе масс всех светил в них.

Причиной этого, как сегодня считают ученые, была так называемая темная материя – загадочная субстанция, на чью долю приходится примерно 75% от массы материи во Вселенной. Как правило, в каждой галактике примерно в 8-10 раз больше темной материи, чем ее видимой "кузины", и эта темная материя удерживает звезды на месте и не дает им "разбежаться".

Сегодня почти все ученые уверены в существовании темной материи, однако ее свойства, помимо ее очевидного гравитационного влияния на галактики и скопления галактик, остаются загадкой и предметом споров среди астрофизиков и космологов. Достаточно долго ученые предполагали, что она сложена из сверхтяжелых и "холодных" частиц-"вимпов", никак не проявляющих себя, кроме как притягивая видимые скопления материи.

Безуспешные поиски "вимпов" в последние два десятилетия заставили многих теоретиков считать, что темная материя на самом деле может быть "легкой и пушистой" и состоять из так называемых аксионов – сверхлегких частиц, похожих по массе и свойствам на нейтрино. Их первые поиски тоже завершились безрезультатно, что делает эту невидимую субстанцию еще более загадочной.

Бауманн и его коллеги сформулировали крайне неортодоксальный способ поиска этих частиц, изучая то, что происходит в окрестностях пары вращающихся черных дыр, готовящихся слиться друг с другом.

Как заметили ученые, их движение будет особым образом влиять на структуру окружающего пространства-времени, способствуя появлению аксионов и других сверхлегких частиц, и препятствуя их взаимной аннигиляции и самоуничтожению.

В результате этого черные дыры окружит своеобразная "атмосфера" или "облако" из аксионов, как называют эту структуру ученые. Оно будет вести себя подобно искусственному атому, тормозя их движение, излучая гравитационные волны и особым образом влияя на процесс их слияния.

Это влияние, в свою очередь, будет особенно ярко проявляться во время так называемого "дрожжания" – особой фазы в жизни новорожденной черной дыры, когда она сбрасывает излишки энергии вращения в виде гравитационных волн. В это время она похожа не на идеальный шар, а на вытянутый или растянутый эллипс, постепенно приобретающий "нормальную" форму.

Как показывают расчеты Бауманна и его коллег, если аксионы или прочие легкие частицы существуют, то их облако резко исчезнет после слияния и во время начала "дрожжания", ослабит порождаемые этим процессом гравитационные волны и внесет уникальные искажения в них.

Можно ли найти подобные колебания? Наземные гравитационные телескопы, такие как LIGO и ViRGO, по словам астрофизиков, вряд ли смогут решить эту задачу, так как для этого потребуется найти пару черных дыр в Млечном Пути, очень близкую к слиянию. Это крайне маловероятно.

С другой стороны, орбитальная обсерватория LISA, способная следить за сверхмассивными черными дырами в других галактиках, вполне должна справиться с этой задачей, и найти следы всех возможных легких частиц.

Если эта идея оправдает себя, то такие пары черных дыр, как считают ученые, станут для нас своеобразными "гравитационными коллайдерами", способными реально искать "новую физику" за пределами Стандартной модели.