Новое исследование учёных из Амстердамского университета показывает, как гравитационные волны от чёрных дыр могут помочь обнаружить тёмную материю и определить её свойства. Ключевую роль играет новая модель, основанная на общей теории относительности Эйнштейна, которая детально отслеживает взаимодействие чёрной дыры с окружающей материей.
Учёные из Института физики (IoP) и центра передового опыта GRAPPA (Gravitation and Astroparticle Physics Amsterdam) опубликовали результаты в журнале Physical Review Letters.
В своей работе Родриго Виченте, Теофанес К. Каридас и Джанфранко Бертоне представили усовершенствованный метод моделирования влияния тёмной материи вокруг чёрных дыр на гравитационные волны, которые излучают эти системы.
Исследование сосредоточено на так называемых экстремальных инспиральных системах с большим отношением масс (EMRIs): системах, в которых относительно небольшой компактный объект (например, чёрная дыра, образовавшаяся при коллапсе одиночной звезды) вращается вокруг гораздо более массивной чёрной дыры, обычно находящейся в центре галактики, и медленно закручиваясь, приближается к ней по спирали.
По мере того как меньший объект приближается по спирали, он излучает длительный сигнал гравитационных волн. Будущие космические миссии, такие как космическая антенна LISA Европейского космического агентства, запланированная к запуску в 2035 году, должны будут записывать эти сигналы в течение месяцев или даже лет, отслеживая сотни тысяч и миллионы орбитальных циклов.
Если модель будет точно подобрана, эти «космические отпечатки» могут показать, как распределена материя — особенно загадочная тёмная материя, которая, как считается, составляет большую часть материи во Вселенной — в непосредственной близости от массивных чёрных дыр.
До начала сбора данных миссиями, подобными LISA, крайне важно детально спрогнозировать, какие сигналы мы должны ожидать, и как извлечь из них как можно больше информации. До сих пор большинство исследований основывалось на упрощённых описаниях того, как окружающая среда влияет на EMRIs.
Новая работа физиков из IoP/GRAPPA устраняет этот пробел для широкого класса сред.
Она представляет первую полностью релятивистскую модель, то есть использует теорию гравитации Эйнштейна в полном объёме, а не более простые приближения, основанные на ньютоновской гравитации, для описания того, как окружение массивной чёрной дыры изменяет орбиту EMRI и результирующие гравитационные волны.
Исследование сосредоточено, в частности, на плотных концентрациях тёмной материи — часто называемых «шипами» или «холмами», которые могут образовываться вокруг массивных чёрных дыр. Внедрив своё новое релятивистское описание в современные модели волновых форм, авторы показывают, как такие структуры оставляют измеримый отпечаток на сигналах, регистрируемых будущими детекторами.
Эта работа представляет собой фундаментальный шаг в долгосрочной программе, цель которой — использовать гравитационные волны для составления карты распределения тёмной материи во Вселенной и пролить свет на её фундаментальную природу.
Предоставлено Амстердамским университетом.