Темна матерія – одна з найбільших загадок сучасної фізики. Вважається, що вона складає більшу частину матерії у Всесвіті, але її природа та властивості досі невідомі. Вчені намагаються виявити частинки темної матерії за допомогою різних експериментів на Землі, але поки що жоден з них не увінчався успіхом.
Тепер команда дослідників з Індії та США запропонувала нову ідею пошуку темної матерії за допомогою гравітаційних хвиль, які є пульсаціями у просторі-часі, викликаними бурхливими космічними подіями. У пресрелізі дослідники припускають, що частинки темної матерії можуть накопичуватися всередині нейтронних зірок, які є надзвичайно щільними залишками зірок, що вибухнули, і спричиняти їхній колапс у чорні діри. Цей процес призведе до виникнення гравітаційних хвиль, які зможуть виявити такі обсерваторії, як LIGO, VIRGO і KAGRA.
Дослідження очолила Сулагна Бхаттачарія, аспірантка Інституту фундаментальних досліджень Тата (TIFR) в Мумбаї. Вона пояснила, що частинки темної матерії можуть взаємодіяти зі звичайною матерією за допомогою сил, відмінних від гравітації, і з часом потрапляти в пастку всередині нейтронних зірок. Якщо частинка темної матерії досить важка і не має античастинки, вона може утворити щільне ядро всередині нейтронної зірки, яке колапсує в крихітну чорну діру. Потім чорна діра поглине нейтронну зорю зсередини та перетворить її на чорну діру подібної маси.
Цей сценарій створив би чорні діри з низькою масою, меншою за максимально можливу масу нейтронної зірки, яка, згідно з сучасними теоріями зоряної еволюції, приблизно у 2,5 раза перевищує масу Сонця. Анупам Рей, який був одним з керівників роботи, сказав, що “за параметрами темної матерії, які ще не виключені жодним іншим експериментом, старі подвійні системи нейтронних зірок у щільних регіонах галактики повинні були б еволюціонувати в подвійні системи чорних дір. Якщо ми не бачимо ніяких аномально низькомасштабних злиттів, це накладає нові обмеження на темну матерію”.
Цікаво, що деякі з гравітаційних хвиль, виявлених LIGO, такі як GW190814 і GW190425, схоже, пов’язані принаймні з одним компактним об’єктом малої маси. Одна з можливостей полягає в тому, що ці об’єкти є первинними чорними дірами, тобто давніми чорними дірами, що утворилися внаслідок флуктуацій густини в ранньому Всесвіті, як припускали Стівен Гокінг і Яків Зельдович у 1960-х роках.
Коаліція LIGO займається пошуком таких екзотичних об’єктів і встановила певні обмеження на їхню кількість. Нове дослідження Бхаттачарії та його колег показує, що те саме невиявлення злиття низькомасштабних об’єктів за допомогою LIGO також накладає суворі обмеження на кількість частинок темної матерії. У дослідженні вивчається діапазон мас частинок темної матерії, що перебувають поза межами досяжності нинішніх наземних експериментів, таких як XENON1T, PANDA, LUX-ZEPLIN, особливо для важких частинок темної матерії.
Дослідники також прогнозують, що майбутні детектори гравітаційних хвиль, такі як Advanced LIGO, Cosmic Explorer і телескоп Ейнштейна, зможуть досліджувати ще слабші взаємодії важкої темної матерії, набагато нижче так званої “нейтринної підлоги”, де звичайні детектори темної матерії стикаються з фоновим шумом від астрофізичних нейтрино. З іншого боку, якщо в майбутньому будуть виявлені чорні діри з низькою масою, це може дати цінну підказку про природу темної матерії.
Це дослідження відкриває новий рубіж у прагненні розшифрувати темну матерію, підкреслюючи потенціал гравітаційних хвиль як не просто наукової цікавинки, а потужного інструменту для фундаментальних відкриттів у галузі фізики в цілому.
Завершуючи на обнадійливій ноті, автори зазначають: “Детектори гравітаційних хвиль, які вже відіграли важливу роль у підтвердженні існування чорних дір і передбачених Ейнштейном гравітаційних хвиль, мають потенціал стати надійним інструментом для дослідження теорій темної матерії”.
Читайте також: