Оскільки невловима темна матерія продовжує вислизати від виявлення, вченим доводиться шукати її у все більш і більш химерних місцях. У новому дослідженні фізики з Массачусетського технологічного інституту вивчили спини (обертання) чорних дір на предмет наявності ознак опору темній матерії, що сповільнюють їх.
З усієї матерії у Всесвіті звичайна речовина, з якою ми взаємодіємо щодня, становить лише близько 15 відсотків. Переважна більшість «речовини» пов'язана з тим, що ми називаємо темною матерією, яка, здається, взаємодіє з нормальною матерією тільки за допомогою гравітації.
Пряме виявлення частинок темної матерії вислизало від вчених протягом десятиліть, але не через відсутність спроб. Експерименти на Землі полягали в пошуку дивного матеріалу за допомогою Великого адронного коллайдера, «аксійних радіоприймачів», масивів з мільярдів крихітних маятників, величезних підземних резервуарів з екзотичними рідинами або надпровідних порожнин.
Але космос, схоже, проводить свої власні експерименти, дозволяючи нам виявити слід темної матерії в космосі - якщо ми знаємо, де шукати. Це може включати незвичайне рентгенівське випромінювання галактик у міру розпаду частинок темної матерії або, можливо, дивні спалахи світла або рентгенівські промені біля нейтронних зірок, коли частинки темної матерії перетворюються на фотони в потужних магнітних полях.
Тепер фізики з лабораторії LIGO Массачусетського технологічного інституту досліджували ознаки загадкової матерії в новому середовищі навколо чорних дір. Їх метою була гіпотетична частинка темної матерії, звана надлегким бозоном, яка, як випливає з назви, має надзвичайно маленьку масу - менше однієї мільярдної маси електрону.
Якби ці надлегкі бозони існували, квантова теорія пророкує, що чорні діри певної маси втягували б величезні хмари з них. Але вони не будуть просто втягнутими, як можна було б очікувати - замість цього такі частинки збиралися б навколо чорної діри і фактично захоплювалися б за нею, уповільнюючи її обертання. Отже, якщо ви виявите, що чорні діри певної маси обертаються повільніше, ніж вони «повинні», це може свідчити про вплив темної матерії.
«Якщо бозони існують, ми могли б очікувати, що старі чорні діри відповідної маси не мають великих спинів, оскільки бозонні хмари витягли б більшу їх частину», - говорить Кван Енг, провідний автор дослідження. «Це означає, що відкриття чорної діри з великими спинами може виключити існування бозонів з певними масами».
Цей дивний ефект є результатом деяких квантових причуд. По суті, через їх неймовірно малу масу субатомні частинки не можна описати як такі, що знаходяться в одному конкретному місці одночасно. Замість цього вони описуються хвилею ймовірних місць, і чим менше розмір частинки, тим довшою стає ця хвиля (тобто тим у більшій кількості можливих місць вона може бути в будь-який момент часу).
Отже, якщо надлегкі бозони існують у певному діапазоні мас, їх довжина хвилі буде порівнянна з радіусом чорної діри певної маси. Оскільки ви ніколи не зможете точно визначити, де знаходиться одна з цих крихітних частинок, якщо вона знаходиться поруч з чорною дірою, ви ніколи не зможете бути повністю впевнені, що вона «впала». По суті, хмара вискакує з чорної діри, втрачаючи при цьому її кутовий момент.
«Якщо ви запригнете на карусель, а потім спустіться з неї, ви можете вкрасти енергію з каруселі», - говорить Сальваторе Вітале, співавтор дослідження. «Ці бозони роблять те ж саме з чорною дірою».
Щоб визначити, чи існують такі хмари темної матерії, астрономи вивчили спини 45 подвійних чорних дір. Вони були взяті з даних досліджень гравітаційних хвиль, створених колаборацією LIGO і Virgo, які виникають при зіткненні чорних дір.
Команда вчених підрахувала, наскільки швидко кожна з цих чорних дір буде обертатися, якби вони взаємодіяли з надлегкими бозонами в певному діапазоні мас - від 1,3 ст.110 -13 електронвольт до 2,7 − 10 -13.
Вони виявили, що дві чорні діри оберталися занадто швидко, щоб мати будь-яку взаємодію з надлегкими бозонами. Фактично, одна з них оберталася на максимально можливій швидкості.
За словами вчених, цей результат досить переконливий, щоб виключити надлегкі бозони в цьому діапазоні мас як темну матерію. Не можна сказати, що найтемнішої матерії не існує - замість цього, як і багато інших нульових результатів, отриманих в інших експериментах, це просто означає, що ми звужуємо область можливих частинок, з яких вона могла б складатися.
Або, можливо, дійсно не існує такої речі, як темна матерія, і ефекти, які ми їй приписуємо, викликані зовсім іншою фізикою.
Дослідження було опубліковано в журналі Physical Review Letters.
