O undă ciudată în spațiu-timp ar putea fi prima amprentă a materiei întunecate.
Cercetătorii ar fi putut observa un posibil indiciu al materiei întunecate ascuns într-o undă gravitațională provenită din fuzionarea găurilor negre.
Materia întunecată se crede că alcătuiește cea mai mare parte a materiei din univers, totuși oamenii de știință încă nu o pot observa direct. Spre deosebire de materia obișnuită, materia întunecată nu interacționează cu lumina sau cu forțele electromagnetice, făcând gravitația singura modalitate cunoscută de a detecta prezența acesteia.
Acum, cercetătorii cred că ciocnirea găurilor negre ar putea oferi o nouă modalitate de a căuta indicii despre această substanță invizibilă. Fizicienii de la MIT și de la mai multe instituții europene au dezvoltat o metodă de identificare a posibilelor semne ale materiei întunecate ascunse în undele gravitaționale. Aceste ondulații în spațiu și timp sunt create atunci când obiecte masive, cum ar fi găurile negre, se spiralizează împreună și fuzionează. Dacă acele găuri negre călătoresc prin nori denși de materie întunecată înainte de a se ciocni, undele gravitaționale rezultate ar putea purta urme subtile ale acelei interacțiuni.
Echipa și-a testat abordarea folosind datele disponibile public colectate de LIGO-Virgo-KAGRA (LVK), rețeaua internațională de observatoare de unde gravitaționale care monitorizează fuziunile găurilor negre și alte evenimente cosmice îndepărtate.
Căutarea undelor gravitaționale pentru indicii despre materia întunecată
Cercetătorii au analizat semnalele colectate în timpul primelor trei runde de observații ale LVK. S-au concentrat pe 28 dintre cele mai clare evenimente de unde gravitaționale detectate până acum. Pentru 27 dintre aceste evenimente, semnalele s-au potrivit cu ceea ce oamenii de știință s-ar aștepta de la găurile negre care fuzionează în spațiul gol. Dar un semnal, cunoscut sub numele de GW190728, părea diferit. Conform analizei echipei, modelul acelei unde gravitaționale poate conține dovezi ale unei interacțiuni cu materia întunecată.
Cercetătorii subliniază că acest lucru nu echivalează cu o descoperire confirmată a materiei întunecate. În schimb, noua tehnică oferă o modalitate de a scana datele undelor gravitaționale pentru semnale promițătoare care ar putea fi investigate ulterior în continuare.
"Știm că materia întunecată este în jurul nostru. Trebuie doar să fie suficient de densă pentru a-i vedea efectele", spune Josu Aurrekoetxea, postdoc în cadrul Departamentului de Fizică al MIT. "Găurile negre oferă un mecanism de îmbunătățire a acestei densități, pe care o putem căuta acum analizând undele gravitaționale emise atunci când fuzionează."
Descoperirile apar în Physical Review Letters. Aurrekoetxea a fost coautor al studiului cu Soumen Roy, membru LVK, de la Université Catholique de Louvain (UCLouvain) din Belgia, Rodrigo Vicente de la Universitatea din Amsterdam, Katy Clough de la Queen Mary University of London și Pedro Ferreira de la Oxford University.
Cum ar putea găurile negre să amplifice materia întunecată
Materia întunecată rămâne una dintre cele mai mari mistere din fizică. Oamenii de știință deduc existența sa deoarece gravitația din jurul galaxiilor pare mai puternică decât poate explica doar materia vizibilă. Observațiile lentilelor gravitaționale, unde lumina se îndoaie în jurul galaxiilor, sugerează că o sursă suplimentară invizibilă de masă influențează spațiul. Estimările actuale sugerează că materia întunecată ar putea reprezenta mai mult de 85% din materia din univers. Cu toate acestea, cercetătorii încă nu știu din ce constă de fapt materia întunecată.
O formă propusă implică particule extrem de ușoare numite particule "scalare ușoare". Teoriile sugerează că aceste particule se pot comporta ca unde coordonate lângă găurile negre. Oamenii de știință cred că, atunci când aceste unde întâlnesc o gaură neagră care se rotește rapid, energia de rotație a găurii negre poate fi transferată în undele de materie întunecată, crescând dramatic densitatea acestora. Acest proces, cunoscut sub numele de superradiație, a fost comparat cu transformarea smântânii în unt. Dacă densitatea devine suficient de mare, materia întunecată ar putea modifica undele gravitaționale produse atunci când găurile negre se ciocnesc.
Prezicerea amprentelor materiei întunecate în spațiu-timp
Pentru a investiga această posibilitate, cercetătorii au construit simulări detaliate ale fuziunilor găurilor negre în multe condiții diferite. Ei au variat factori precum masele și dimensiunile găurilor negre, cantitatea de materie întunecată din jur și densitatea acelei materii. Folosind acele simulări, echipa a prezis modul în care ar apărea undele gravitaționale dacă găurile negre ar fuziona într-un mediu dens de materie întunecată, mai degrabă decât într-un vid. Modelul a ținut cont și de modul în care aceste unde s-ar schimba pe măsură ce călătoresc prin milioane de ani lumină înainte de a ajunge la detectoarele de pe Pământ.
Cercetătorii au comparat apoi predicțiile lor cu observațiile reale ale LVK. Dintre cele 28 de semnale cele mai puternice examinate, GW190728 a fost singurul eveniment care a arătat un acord cu scenariul materiei întunecate. GW190728 a fost detectat pentru prima dată pe 28 iulie 2019. Studii anterioare au stabilit că semnalul provine de la două găuri negre cu o masă combinată de aproximativ 20 de ori mai mare decât cea a Soarelui. Conform noii analize, acele găuri negre ar fi putut fuziona într-un nor dens de materie întunecată.
Un nou instrument promițător pentru cercetarea materiei întunecate
"Semnificația statistică a acestui lucru nu este suficient de mare pentru a revendica o detectare a materiei întunecate și ar trebui efectuate verificări suplimentare de către grupuri independente", spune Aurrekoetxea. "Ceea ce credem că este important de evidențiat este că, fără modele de forme de undă ca ale noastre, am putea detecta fuziuni de găuri negre în medii de materie întunecată, dar le-am clasifica sistematic ca având loc în vid."
Cercetătorii spun că numărul tot mai mare de observații ale undelor gravitaționale ar putea face această abordare din ce în ce mai utilă în anii următori.
"Acum avem potențialul de a descoperi materia întunecată din jurul găurilor negre pe măsură ce detectoarele LVK continuă să colecteze date în anii următori", spune coautorul Soumen Roy, care a condus partea de analiză a datelor a lucrării. "Este un moment interesant pentru a căuta o nouă fizică folosind undele gravitaționale."
"Folosirea găurilor negre pentru a căuta materia întunecată ar fi fantastică", adaugă coautorul Rodrigo Vicente, care a dezvoltat modelul analitic al semnalului. "Am putea sonda materia întunecată la scări mult mai mici decât oricând."