Czy ciemna materia mogła zostać zauważona przypadkiem, zanim ktokolwiek zdał sobie z tego sprawę? Nowa analiza sugeruje, że jeden z dawnych sygnałów fal grawitacyjnych może zawierać ślad czegoś znacznie bardziej tajemniczego niż samo zderzenie czarnych dziur. Chodzi o zdarzenie GW190728 z lipca 2019 roku, które według badaczy mogło powstać w otoczeniu gęstej chmury ciemnej materii.
Ciemna materia w falach grawitacyjnych. Skąd w ogóle taki pomysł?
Fale grawitacyjne to drobne zaburzenia czasoprzestrzeni, które rozchodzą się przez kosmos z prędkością światła. Powstają między innymi wtedy, gdy zderzają się bardzo masywne obiekty: czarne dziury albo gwiazdy neutronowe.
Ich istnienie przewidział Albert Einstein w ogólnej teorii względności. Bezpośrednio wykryto je jednak dopiero w 2015 roku. Od tamtej pory detektory zarejestrowały setki podobnych zdarzeń.
Każdy taki sygnał jest jak kosmiczny zapis katastrofy. Można z niego odczytać masę obiektów, ich typ, a czasem także warunki, w jakich doszło do zderzenia. I właśnie tutaj zaczyna się najciekawsza część tej historii.
Naukowcy zadali pytanie: czy fale grawitacyjne mogą nieść nie tylko informację o samych czarnych dziurach, ale też o tym, co znajdowało się wokół nich?
Ciemna materia mogła zostawić ślad przy zderzeniu czarnych dziur
Ciemna materia to jedna z największych zagadek współczesnej fizyki. Nie świeci, nie odbija światła i nie oddziałuje ze zwykłą materią w taki sposób, jak robią to znane nam cząstki. Zdradza swoją obecność głównie przez grawitację.
Jedna z hipotez zakłada, że ciemna materia może składać się z ultralekkich cząstek. W pobliżu silnej grawitacji czarnych dziur takie cząstki mogłyby zachowywać się zbiorowo, trochę jak pole lub fala. W efekcie wokół czarnej dziury mogłaby powstać swego rodzaju chmura ciemnej materii.
Jeśli dwie czarne dziury otoczone takim obłokiem zaczynają się do siebie zbliżać, ich ruch nie musi wyglądać dokładnie tak samo jak w pustej przestrzeni. Chmura ciemnej materii mogłaby delikatnie zmienić dynamikę zderzenia. A ta zmiana mogłaby zostać zapisana w falach grawitacyjnych.
Nie byłby to więc obraz ciemnej materii wprost. Raczej jej odcisk palca ukryty w sygnale.
GW190728. Jeden sygnał spośród 28 wyglądał inaczej
Zespół fizyków z USA, Wielkiej Brytanii i Europy przygotował model, który opisuje, jak zderzenie czarnych dziur w chmurze ciemnej materii mogłoby wyglądać w danych z detektorów fal grawitacyjnych.
Następnie badacze porównali ten model z 28 zdarzeniami wykrytymi przez sieć LVK, czyli LIGO w Stanach Zjednoczonych, Virgo we Włoszech i KAGRA w Japonii.
Wynik był ostrożny, ale intrygujący.
Aż 27 sygnałów pasowało do scenariusza, w którym czarne dziury łączyły się w niemal pustej przestrzeni. Jeden przypadek odstawał. Był to sygnał GW190728, zarejestrowany w lipcu 2019 roku.
Według badaczy jego charakterystyka może być zgodna z połączeniem dwóch czarnych dziur zachodzącym w gęstej chmurze ciemnej materii.
To nie jest jeszcze odkrycie ciemnej materii
Tu trzeba postawić wyraźną granicę. Naukowcy nie twierdzą, że ciemna materia została już wykryta. Wynik nie ma jeszcze wystarczającej siły statystycznej, by mówić o przełomie.
To raczej trop. Bardzo ciekawy, ale wymagający sprawdzenia przez niezależne zespoły badawcze.
Sami autorzy podkreślają, że bez odpowiednich modeli podobne zdarzenia mogłyby być błędnie klasyfikowane jako zwykłe zderzenia czarnych dziur w próżni. Innymi słowy: jeśli nie wiemy, czego szukać, możemy przeoczyć ważny sygnał.
Dlaczego to może być ważne dla nauki?
Jeśli ta metoda się potwierdzi, fale grawitacyjne mogą stać się nowym narzędziem do badania ciemnej materii. To byłaby ogromna zmiana, bo dziś ciemna materia wciąż pozostaje czymś, co znamy głównie pośrednio.
Czarne dziury mogłyby działać jak naturalne laboratoria. Ich ekstremalna grawitacja pozwalałaby sprawdzać zachowanie materii w warunkach, których nie da się odtworzyć na Ziemi.
Szczególnie interesujące jest to, że taka metoda mogłaby badać ciemną materię w bardzo małych skalach. To obszar, do którego obecne obserwacje mają ograniczony dostęp.
A jeśli ciemna materia wygląda zupełnie inaczej?
Największy problem polega na tym, że naukowcy wciąż nie wiedzą, czym ciemna materia naprawdę jest. Może składać się z ultralekkich cząstek. Może mieć zupełnie inną naturę. Może oddziaływać sama ze sobą, a może być niemal całkowicie bierna. Istnieją też bardziej egzotyczne pomysły, według których część ciemnej materii mogłyby stanowić pierwotne czarne dziury.
Jest nawet możliwość, że problem leży nie w brakującej materii, lecz w naszych modelach grawitacji.
Dlatego analiza sygnału GW190728 nie zamyka sprawy. Wręcz przeciwnie. Otwiera nową ścieżkę poszukiwań.
Kosmiczny ślad, który trzeba sprawdzić
Historia GW190728 pokazuje, że w danych z detektorów fal grawitacyjnych może ukrywać się więcej, niż dotąd sądziliśmy. Być może jedno z dawnych zdarzeń rzeczywiście zawiera ślad ciemnej materii. Być może to tylko statystyczna osobliwość albo efekt, który da się wyjaśnić inaczej.
Najważniejsze jest jednak to, że naukowcy zyskali nowy sposób zadawania pytań. Fale grawitacyjne nie muszą opowiadać wyłącznie o zderzeniach czarnych dziur. Mogą też stać się narzędziem do badania niewidzialnej części Wszechświata.
A jeśli ten trop okaże się prawdziwy, jedno z największych odkryć w fizyce mogło czekać na nas w danych zapisanych już kilka lat temu.
Wyniki nowych badań opublikowano w czasopiśmie Physical Review Letters .