Ученые из Амстердамского университета разработали инновационный метод, позволяющий использовать гравитационные волны, исходящие от черных дыр, для обнаружения темной материи и изучения ее свойств. В основе этого подхода лежит детальная теоретическая модель, базирующаяся на общей теории относительности Эйнштейна. Модель подробно описывает взаимодействие черной дыры с окружающей средой, включая невидимую напрямую темную материю.
Исследование проведено Родриго Висенте, Теофанисом К. Каридасом и Джанфранко Бертоне из Института физики Амстердамского университета (IoP) и центра передового опыта GRAPPA по гравитации и астрофизике элементарных частиц в Амстердаме. Полученные выводы обнародованы в журнале Physical Review Letters. В работе команда представила усовершенствованный метод расчета влияния темной материи, окружающей черные дыры, на производимые этими системами гравитационные волны.
В центре внимания исследования – особый класс систем, известных как слияния с экстремальным соотношением масс (EMRI). Такие явления происходят, когда небольшой плотный объект – например, черная дыра, образовавшаяся в результате коллапса одиночной звезды – обращается вокруг значительно более массивной черной дыры, обычно находящейся в центре галактики. Со временем меньший объект постепенно по спирали приближается к большему, излучая при этом гравитационные волны.
Предстоящие космические миссии, в том числе космическая антенна LISA Европейского космического агентства, запуск которой запланирован на 2035 год, должны будут наблюдать эти сигналы на протяжении очень длительных периодов. Некоторые события EMRI можно будет отслеживать месяцами или даже годами, охватывая от сотен тысяч до миллионов отдельных витков. Когда ученые смогут с высокой точностью моделировать эти сигналы, полученные данные станут детальными «космическими отпечатками пальцев», раскрывающими распределение материи вблизи массивных черных дыр. Сюда относится и темная материя, которая, как считается, составляет большую часть вещества во Вселенной.
Прежде чем обсерватории, подобные LISA, начнут сбор данных, исследователям необходимо заранее понять, какие паттерны гравитационных волн они должны ожидать и как их интерпретировать. До сих пор многие работы использовали упрощенные модели, лишь приблизительно описывающие влияние окружающей среды на слияния EMRI. По мнению авторов, такие аппроксимации упускают важные физические эффекты.
Новое исследование устраняет этот недостаток, представляя первую полностью релятивистскую основу для широкого спектра возможных сред. Это означает, что все расчеты опираются исключительно на теорию гравитации Эйнштейна, а не на упрощенные ньютоновские приближения. В итоге модель способна точнее описывать, как материя вокруг массивной черной дыры изменяет орбиту меньшего объекта и деформирует испускаемые гравитационные волны.
Особое внимание в исследовании уделяется плотным областям темной материи, которые могут формироваться вокруг массивных черных дыр. Эти скопления часто называют «пиками» или «холмами». Интегрировав свою релятивистскую модель в современные расчеты гравитационных волн, исследователи продемонстрировали, что подобные структуры темной материи оставляют отчетливые, измеримые отпечатки в сигналах, которые будут регистрироваться будущими обсерваториями.
Авторы считают свое исследование важным шагом к достижению более масштабной научной цели. Со временем они надеются, что гравитационные волны могут быть использованы для картирования распределения темной материи во всей Вселенной и предоставят новые данные о ее фундаментальной природе.
