Fyzici loví temnou hmotu tahající na černé díry

Vzhledem k tomu, že nepolapitelná temná hmota se stále vyhýbá detekci, vědci musí hledat na stále neznámějších místech. V nové studii fyzikové z MIT studovali rotace černých děr, zda nehledají známky odporu z temné hmoty, který je zpomaluje.

Z veškeré hmoty ve vesmíru tvoří běžné látky, se kterými každý den interagujeme, pouze asi 15 procent. Naprostá většina je vázána na to, čemu říkáme temná hmota, která, jak se zdá, interaguje s normální hmotou pouze prostřednictvím své gravitace.

Přímá detekce částic temné hmoty unikala vědcům po celá desetiletí, ale není to kvůli nedostatku pokusů. Experimenty na Zemi hledaly podivné věci pomocí Velkého hadronového urychlovače, „axionových rádií“, soustav miliard malých kyvadel, obrovských podzemních nádrží exotických tekutin nebo supravodivých dutin.

Zdá se však, že kosmos provádí své vlastní experimenty, které nám umožňují zaznamenat podpis temné hmoty ve vesmíru – pokud víme, kde hledat. To by mohlo zahrnovat neobvyklé emise rentgenového záření z galaxií při rozpadu částic temné hmoty nebo možná zvláštní záblesky světla nebo rentgenového záření v blízkosti neutronových hvězd, když se částice temné hmoty ve svých silných magnetických polích přeměňují na fotony.

Nyní fyzici z MIT’s LIGO Laboratory hledali známky tajemné hmoty v novém prostředí, kolem černých děr. Jejich cílem temné hmoty byl typ hypotetické částice zvané ultralehké bosony, které, jak název napovídá, mají extrémně malou hmotnost – méně než miliardtinu hmotnosti elektronu.

Pokud by tyto ultralehké bosony existovaly, kvantová teorie předpovídá, že černé díry o určité hmotnosti by jich vtáhly obrovská mračna. Nebyly by však jednoduše nasávány, jak byste očekávali – místo toho by se tyto částice shromáždily kolem černé díry a skutečně se po ní vlekly, čímž by zpomalily její rotaci. Pokud tedy zjistíte, že se černé díry o určité hmotnosti točí pomaleji, než by jinak „měly“ být, mohlo by to být důkazem vlivu temné hmoty.

„Pokud bosony existují, očekávali bychom, že staré černé díry o vhodné hmotnosti nemají velké rotace, protože bosonová mračna by jich většinu extrahovala,“ říká Kwan Yeung Ng, hlavní autor studie. „To znamená, že objev černé díry s velkými spiny může vyloučit existenci bosonů s určitou hmotností.“

Tento bizarní efekt je výsledkem některých kvantových vtipů. V podstatě kvůli jejich neuvěřitelně malé hmotnosti nelze subatomární částice popsat tak, že se nacházejí na jednom konkrétním místě. Místo toho jsou popsány vlnou pravděpodobných umístění a čím menší je částice, tím delší je tato vlna (tj. čím více možných míst by mohla být v kteroukoli danou dobu).

Pokud tedy ultralehké bosony existují v určitém hmotnostním rozsahu, jejich vlnová délka by byla srovnatelná s poloměrem černé díry o určité hmotnosti. Protože nikdy nemůžete přesně určit, kde se jedna z těchto malých částic nachází, pokud je blízko černé díry, nikdy si nemůžete být zcela jisti, že „spadla dovnitř“. Ve skutečnosti se mrak vynořuje dovnitř a ven z černé díry, přičemž v procesu oslabuje její úhlovou hybnost.

„Pokud skočíte na kolotoč a pak z něj sestoupíte, můžete z kolotoče ukrást energii,“ říká Salvatore Vitale, spoluautor studie. „Tyto bosony dělají totéž s černou dírou.“

Aby astronomové zjistili, zda taková oblaka temné hmoty existují, studovali spiny 45 dvojhvězd černých děr. Ty byly převzaty z dat ze studií spolupráce LIGO a Virgo o gravitačních vlnách, které vznikají při srážce černých děr.

Tým vypočítal, jak rychle by se každá z těchto černých děr otáčela, kdyby interagovala s ultralehkými bosony v určitém hmotnostním rozsahu – mezi 1,3×10^-13 elektronvoltů a 2,7×10^-13.

Zjistili, že zejména dvě černé díry se otáčely příliš rychle na to, aby měly nějakou interakci s ultralehkými bosony. Ve skutečnosti se jeden z nich točil téměř s absolutní maximální možnou rychlostí.

Tento výsledek je podle týmu dostatečně průkazný, aby vyloučil ultralehké bosony v tomto hmotnostním rozsahu jako temnou hmotu. Neznamená to, že samotná temná hmota neexistuje – místo toho, stejně jako mnoho dalších nulových výsledků získaných v jiných experimentech, to jednoduše znamená, že zužujeme pole možných částic, ze kterých by mohla být vyrobena.

Nebo možná, opravdu tam je žádná taková věc jako temná hmota a účinky, které jí přisuzujeme, jsou způsobeny úplně jinou fyzikou.

Výzkum byl publikován v časopise Dopisy fyzické revize.

Zdroj: MIT