Невероятная теория совмещает черные дыры, темную материю и гравитационные волны
Последние несколько лет были богаты на физические открытия. Ученые нашли бозон Хиггса, частицу, за которой они охотились больше 50 лет, в 2012 году и гравитационные волны, о которых заговорили еще 100 лет назад, в 2016. В этом году они вознамерились увидеть черную дыру. Поэтому, подумали некоторые теоретики, почему бы не совместить все сумасшедшие физические идеи в одну физику-шмизику? Что, если мы попытались бы обнаружить темную материю, излучаемую черными дырами через гравитационные волны?
Эта странная идея на самом деле не так уж и невозможна. Теперь, когда ученые обнаружили гравитационные волны, рябь в пространстве-времени, которая рождается вблизи жестоких физических событий, они хотят использовать свое открытие для реальных физических наблюдений. Они думают, что у них появился способ обнаружить совершенно новые частицы, из которых может состоять темная материя, неизвестное вещество, на которое приходится больше 80% всей гравитации во Вселенной.
«Основная идея заключается в том, что мы пытаемся использовать черные дыры — самые плотные, самые сжатые объекты во Вселенной — для поиска частиц нового типа», говорит Маша Барьяхтар, докторант Института теоретической физики Периметра в Канаде. Особенно одной частицы: «Аксион. Люди ищут его 40 лет».
Черные дыры — это воронки вселенной, настолько сильные, что свет не может покинуть их притяжение, если уже попал внутрь. У них такие мощные гравитационные поля, что они создают гравитационные волны, когда сталкиваются друг с другом. Темная материя не может быть создана из частиц (микропылинок массы и энергии), но если бы могла, то мы наблюдали бы ее в виде аксионов, частиц в квинтиллион (миллиард миллиардов) раз легче электрона, снующих вокруг черных дыр. Теперь, когда вы ознакомились со всеми терминами, вот как работает эта теория.
Барьяхтар и ее коллеги считают, что черные дыры не просто медвежьи капканы для света, а ядра в центре своего рода гравитационного атома. Аксионы тогда будут электронами, по аналогии. Если вы уже знаете о черных дырах, вы вспомните, что вокруг них вращается диск раскаленного газа, производимого в процессе трения между частицами, которые ускоряются под действием гравитации черной дыры. Эта теория не учитывает этот элемент, поскольку аксионы не взаимодействуют в процессе трения.
Продолжая аналогию атома, аксионы могут прыгать вокруг черной дыры, получая и теряя энергию точно так же, как и электроны. Но электроны взаимодействуют через электромагнетизм, поэтому они выпускают электромагнитные волны, или световые волны. Аксионы взаимодействуют через гравитацию, поэтому выпускают гравитационные волны. Но аксионы крошечные, как мы отмечали ранее. В отличие от крошечного атома, черная дыра в этих «атомах гравитации» вращается, разгоняя пространство вокруг и увлекая его в производство большего числа аксионов. Несмотря на крошечную массу аксиона, этот так называемый процесс сверхизлучения может производит 1080 аксионов (во Вселенной столько же атомов) вокруг одной черной дыры. Представляете? Вертящийся черный шарик производит невообразимое количество интересного материала.
Что особенно интересно, мы могли бы услышать гравитационную вал, производимый этими аксионами, которые вращаются вокруг черной дыры и испускают гравитационные волны в наши детекторы, подобно тому как электроны в атомах выдают спектральные линии. «Можно было бы увидеть ее на определенной частоте, которая будет примерно в два раза больше массы аксиона», говорит Барьяхтар.
По всему миру разбросаны гигантские детекторы гравитационных волн; в настоящее время один детектор LIGO работает в Вашингтоне, другой детектор LIGO работает в Луизиане и еще один — Virgo в Италии. Они достаточно чувствительны, чтобы уловить гравитационные волны и, после определенных улучшений, аксионы. Чтобы подтвердить теорию, ученым потребуется записать данные, изучить их и уловить искомый сигнал на нужной частоте.
Есть и другие способы уловить эффект сверхизлучения, например, измеряя вращение сталкивающихся черных дыр. Если черные дыры действительно производят аксионы, ученые увидели бы совсем немного быстро вращающихся черных дыр в процессе столкновения, поскольку эффекты сверхизлучения будут замедлять сталкивающиеся черные дыры и создавать видимый эффект в данных. Так следует из исследования, которое было опубликовано в этом месяце в журнале Physical Review D. Вращение черных дыр должно производить определенную картину, которая могла бы нарисоваться в детекторах гравитационных волн.
Другие ученые положительно отнеслись к этой работе. «Я всегда рад новым способам возможного обнаружения моей любимой частицы аксиона. И еще — СВЕРХИЗЛУЧЕНИЕ!», говорит доктор Чанда Прешкод-Вайнштейн из Университета Вашингтона. «Это так здорово, я не видела работ на тему сверхизлучения несколько лет. Поэтому было очень интересно увидеть сверхизлучение и аксионы в одной работе».
У этой теории, как и у любой другой, есть несколько недостатков. Этим теориям атомов черной дыры нужно произвести аксионы определенной массы, но эта масса будет не совсем подходящей для аксиона, чтобы считать его частицей темной материи, говорит Прешкод-Вайнштейн. Кроме того, идея обнаружения — которая затрагивает скорость вращения сталкивающихся черных дыр — может не сработать. Важно, чтобы влияние черной дыры-компаньона было не очень большим.
Когда мы сможем обнаружить эти события? На текущий момент детекторы гравитационных волн LIGO и Virgo пока не готовы. «С текущим уровнем чувствительности мы стоим на грани» обнаружения аксионов, говорит Барьяхтар. «Но LIGO будет продолжать совершенствовать свои инструменты и повышать чувствительность, пока мы не сможем увидеть хотя бы 1000 сигналов таких аксионов», говорит она. Тысячи пчел этих атомов в виде черных дыр.
Подводя итоги, можно резюмировать все это следующим образом. У нас есть детекторы гравитационных волн, которые стоят сотни миллионов долларов каждый и которые могут ответить на сумасшедшие вопросы о том, что происходит во Вселенной. Теоретики придумали интересный способ использовать их, чтобы решить одну из самых важных межзвездных загадок: что такое темная материя? Как и большинство новых идей в теоретической физике, эта идея крутая, и ее время еще не пришло… но придет.