Masačusetso technologijos institutas (MIT)
Tyrėjai galėjo pastebėti galimą tamsiosios materijos užuominą, paslėptą susijungiančių juodųjų skylių gravitacinėje bangoje.
Juodųjų skylių susidūrimas gali atskleisti užuominų apie tamsiąją materiją, paslėptą visoje Visatoje. Fizikai sukūrė naują modelį, prognozuojantį, kaip tamsioji materija gali subtiliai iškreipti gravitacines bangas, susidarančias juodųjų skylių susijungimo metu. Kai jie išbandė metodą su tikrais LIGO duomenimis, vienas signalas išsiskyrė kaip potencialiai turintis tamsiosios materijos atspaudą.
Keistas signalas – užuomina apie tamsiąją materiją
Naujas MIT ir kitų fizikų sukurtas modelis prognozuoja, kaip gravitacinės bangos (mėlynos ir raudonos bangos) gali turėti bet kokios tamsiosios materijos (šviesiai violetinės), kuria spirališkai juda dvi susijungiančios juodosios skylės, atspaudus.
Manoma, kad tamsioji materija sudaro didžiąją dalį Visatos materijos, tačiau mokslininkai vis dar negali jos tiesiogiai stebėti. Skirtingai nuo įprastos materijos, tamsioji materija nesąveikauja su šviesa ar elektromagnetinėmis jėgomis, todėl gravitacija yra vienintelis žinomas būdas aptikti jos buvimą. Dabar tyrėjai mano, kad susidūrusios juodosios skylės galėtų suteikti naują būdą ieškoti užuominų apie šią nematomą medžiagą.
MIT ir kelių Europos institucijų fizikai sukūrė metodą, skirtą nustatyti galimus tamsiosios materijos, paslėptos gravitacinėse bangose, požymius. Šie erdvės ir laiko raibuliai atsiranda, kai masyvūs objektai, tokie kaip juodosios skylės, spirališkai juda vienas apie kitą ir susijungia. Jei šios juodosios skylės prieš susidūrimą keliauja per tankius tamsiosios materijos debesis, susidariusios gravitacinės bangos gali turėti subtilius šios sąveikos pėdsakus.
Komanda išbandė savo metodą naudodama viešai prieinamus duomenis, surinktus LIGO-Virgo-KAGRA (LVK) – tarptautinio gravitacinių bangų observatorijų tinklo, stebinčio juodųjų skylių susiliejimus ir kitus tolimus kosminius įvykius.
Gravitacinių bangų paieška ieškant užuominų apie tamsiąją materiją
Tyrėjai analizavo signalus, surinktus per pirmuosius tris LVK stebėjimo etapus. Jie sutelkė dėmesį į 28 aiškiausius iki šiol aptiktus gravitacinių bangų įvykius.
27 iš šių įvykių signalai atitiko tai, ko mokslininkai tikėtųsi iš juodųjų skylių susiliejimo tuščioje erdvėje. Tačiau vienas signalas, žinomas kaip GW190728, atrodė kitaip. Remiantis komandos analize, šios gravitacinės bangos modelis gali turėti sąveikos su tamsiąja materija įrodymų.
Tyrėjai pabrėžia, kad tai nereiškia patvirtinto tamsiosios materijos atradimo. Vietoj to, naujoji technika suteikia galimybę nuskaityti gravitacinių bangų duomenis ir ieškoti perspektyvių signalų, kuriuos vėliau būtų galima toliau tirti.
„Žinome, kad tamsioji materija yra aplink mus. Ji tiesiog turi būti pakankamai tanki, kad galėtume pamatyti jos poveikį“, – sako Josu Aurrekoetxea, MIT Fizikos katedros podoktorantūros studentas. „Juodosios skylės suteikia mechanizmą šiam tankiui padidinti, kurio dabar galime ieškoti analizuodami gravitacines bangas, skleidžiamas joms susiliejant.“
Išvados paskelbtos žurnale „Physical Review Letters“.
Kaip juodosios skylės gali sustiprinti tamsiąją materiją
Tamsioji materija išlieka viena didžiausių fizikos paslapčių. Mokslininkai daro išvadą, kad ji egzistuoja, nes gravitacija aplink galaktikas atrodo stipresnė, nei gali paaiškinti vien matoma materija. Gravitacinių lęšių stebėjimai, kai šviesa lenkiasi aplink galaktikas, rodo, kad erdvę veikia papildomas nematomas masės šaltinis.
Dabartiniai skaičiavimai rodo, kad tamsioji materija gali sudaryti daugiau nei 85 procentus visatos materijos. Tačiau tyrėjai vis dar nežino, iš ko iš tikrųjų susideda tamsioji materija.
Viena iš siūlomų formų apima itin lengvas daleles, vadinamas „šviesos skaliarinėmis“ dalelėmis. Teorijos rodo, kad šios dalelės gali elgtis kaip koordinuotos bangos šalia juodųjų skylių.
Mokslininkai mano, kad šioms bangoms susidūrus su greitai besisukančia juodąja skyle, juodosios skylės sukimosi energija gali būti perduota tamsiosios materijos bangoms, smarkiai padidindama jų tankį. Šis procesas, vadinamas superspinduliavimu, buvo palygintas su grietinėlės plakimu į sviestą.
Jei tankis tampa pakankamai didelis, tamsioji materija gali pakeisti gravitacines bangas, susidarančias susidūrus juodosioms skylėms.
Tamsiosios materijos įspaudų erdvėlaikyje prognozavimas
Norėdami ištirti šią galimybę, tyrėjai sukūrė išsamias juodųjų skylių susijungimo simuliacijas įvairiomis sąlygomis. Jie varijavo veiksnius, įskaitant juodųjų skylių masę ir dydį, aplinkinės tamsiosios materijos kiekį ir tos materijos tankį.
Naudodama šias simuliacijas, komanda numatė, kaip atrodytų gravitacinės bangos, jei juodosios skylės susijungtų tankioje tamsiosios materijos aplinkoje, o ne vakuume.
Modelis taip pat atsižvelgė į tai, kaip tos bangos keistųsi joms keliaujant milijonus šviesmečių, kol pasiekia detektorius Žemėje.
Tada tyrėjai palygino savo prognozes su realiais LVK stebėjimais. Iš 28 stipriausių tirtų signalų GW190728 buvo vienintelis įvykis, kuris atitiko tamsiosios materijos scenarijų.
GW190728 pirmą kartą buvo aptiktas 2019 m. liepos 28 d. Ankstesni tyrimai nustatė, kad signalas sklido iš dviejų juodųjų skylių, kurių bendra masė yra apie 20 kartų didesnė už Saulės masę. Remiantis nauja analize, šios juodosios skylės galėjo susilieti tankiame tamsiosios materijos debesyje.
Perspektyvus naujas įrankis tamsiosios materijos tyrimams
„Šio reiškinio statistinis reikšmingumas nėra pakankamai didelis, kad būtų galima teigti apie tamsiosios materijos aptikimą, todėl nepriklausomos grupės turėtų atlikti tolesnius patikrinimus“, – sako Aurrekoetxea. „Manome, kad svarbu pabrėžti, jog be tokių bangų formos modelių kaip mūsų, galėtume aptikti juodųjų skylių susiliejimus tamsiosios materijos aplinkoje, tačiau sistemingai juos klasifikuoti kaip įvykusius vakuume.“
Tyrėjai teigia, kad augantis gravitacinių bangų stebėjimų skaičius gali padaryti šį metodą vis naudingesnį ateinančiais metais.
„Dabar turime potencialą atrasti tamsiąją materiją aplink juodąsias skyles, nes LVK detektoriai ir toliau rinks duomenis ateinančiais metais“, – sako bendraautoris Soumenas Roy, vadovavęs duomenų analizės daliai. „Tai įdomus metas ieškoti naujų fizikos atradimų naudojant gravitacines bangas.“
„Būtų fantastiška naudoti juodąsias skyles tamsiosios materijos paieškai“, – priduria bendraautorius Rodrigo Vicente, sukūręs analitinį signalo modelį. „Galėtume tirti tamsiąją materiją daug mažesniais masteliais nei bet kada anksčiau.“
Tyrimą iš dalies rėmė JAV Nacionalinis mokslo fondas ir MIT Teorinės fizikos centras – Leinweberio institutas.
Soumen Roy, Rodrigo Vicente, Josu C. Aurrekoetxea, Katy Clough, Pedro G. Ferreira. Scalar Fields around Black Hole Binaries in LIGO-Virgo-KAGRA. Physical Review Letters, 2026; 136 (19) DOI: 10.1103/fv9z-zkxx
Ar tamsioji materija galėtų būti sudaryta iš juodųjų skylių iš ankstesnės Visatos?
Visata yra holograma: kodėl drąsiausia Stepheno Hawkingo teorija gali būti teisinga
Rekordinė gravitacinė banga padeda patikrinti Einšteino bendrąją reliatyvumo teoriją