Fale grawitacyjne pochodzące z czarnych dziur mogą pomóc rozwiązać tajemnicę ciemnej materii

Naukowcy wskazują, że fale grawitacyjne pochodzące z czarnych dziur mogą pomóc w wykryciu ciemnej materii i lepiej poznać jej niezwykłe właściwości.

.W ramach nowego badania, naukowcy z University of Amsterdam przeanalizowali, w jaki sposób fale grawitacyjne pochodzące z czarnych dziur mogą zostać wykorzystane do wykrycia obecności ciemnej materii i określenia jej właściwości. Aby tego dokonać astronomowie opracowali nowy model oparty na ogólnej teorii względności Einsteina, szczegółowo śledzący interakcje czarnych dziur z ich otoczeniem, dzięki któremu mogliby zaobserwować wpływ ciemnej materii, znajdującej w pobliżu tych obiektów, na fale grawitacyjne emitowane przez te układy. Badanie zostało opublikowane w czasopiśmie Physical Review Letters.

Fizycy skupili się na spiralach o ekstremalnym stosunku mas (extreme mass-ratio inspirals – EMRI), które są układami, w których stosunkowo mały, zwarty obiekt – taki jak na przykład czarna dziura powstała w wyniku zapadnięcia się pojedynczej gwiazdy – orbituje i powoli spiralnie zbliża się do znacznie masywniejszej czarnej dziury, zazwyczaj znajdującej się w centrum galaktyki. W czasie zmniejszania odległości, mniejszy obiekt emituje długi sygnał fal grawitacyjnych.

Przyszłe misje, takie jak Laser Interferometer Space Antenna (LISA), planowana przez Europejską Agencję Kosmiczną, która ma zostać uruchomiona 2035 r., będą rejestrować tego rodzaju sygnały przez miesiące, a nawet lata, śledząc setki tysięcy, do milionów cykli orbitalnych. Jeśli badaczom uda się je dokładnie zmodelować, ślady te mogą pomóc ujawnić, w jaki sposób materia, szczególnie tajemnicza ciemna materia, która, jak uważają astronomowie, może stanowić większość materii we Wszechświecie, jest rozmieszczona w bezpośrednim otoczeniu masywnych czarnych dziur.

Zanim misje takie jak LISA zaczną zbierać dane, naukowcy muszą jednak dokładnie przewidzieć, jakie sygnały będą mogły zarejestrować te urządzenia i jak wyciągnąć z nich jak najwięcej przydatnych informacji. Do tej pory większość badań opierała się na uproszczonych opisach wpływu środowiska na EMRI.

W ramach nowego badania fizycy dokładniej przyjrzeli się tym zjawiskom. Nowa analiza została opracowana wykorzystując w pełni teorię grawitacji Einsteina, zamiast prostszych przybliżeń opartych na grawitacji newtonowskiej – aby opisać, w jaki sposób otoczenie masywnej czarnej dziury modyfikuje orbitę EMRI i emitowane fale grawitacyjne.

Jak podkreślają astronomowie, badanie koncentruje się w szczególności na gęstych skupiskach ciemnej materii – często nazywanych „szczytami”, które mogą tworzyć się wokół masywnych czarnych dziur. Dzięki szczegółowemu uwzględnieniu teorii Einsteina do najnowocześniejszych modeli fal, naukowcy określili, w jaki sposób takie struktury pozostawiłyby mierzalny ślad w sygnałach rejestrowanych przez przyszłe detektory.

.Zdaniem fizyków, badanie może wskazać, jak fale grawitacyjne pochodzące z czarnych dziur mogą pomóc znaleźć ciemną materię, jej rozmieszczenie we Wszechświecie i jej właściwości.

Oprac. EG