Gravitační vlny by mohly odhalit mraky temné hmoty kolem černých děr

Temná hmota je jednou z nejzáhadnějších záhad vědy, přičemž je vyšetřováno velké množství podezřelých. V nové studii astronomové hledali mraky hypotetických ultralehkých částic, které by se mohly shlukovat kolem černých děr a dát o sobě vědět vysíláním gravitačních vln.

Veškerá hmota, kterou denně vidíme a s níž přicházíme do styku, od lidí po planety, tvoří pouze asi 15 procent hmoty ve vesmíru. Naprostá většina z nich je vázána v temné hmotě, záhadné látce, která pouze zdánlivě interaguje s běžnou hmotou prostřednictvím svého gravitačního vlivu. Co přesně temná hmota je, jaké vlastnosti může mít, kde by se mohla nacházet a jak bychom ji mohli detekovat, to vše jsou předmětem pokračujících spekulací a vyšetřování.

Jedním z takových kandidátů jsou ultralehké bosony. Bosony jsou třídou částic, která zahrnuje fotony a legendární Higgsův boson, ale některé modely naznačují, že mohou existovat neobjevené verze s extrémně malými hmotnostmi. Pokud ano, mohou pomoci zacpat jednu z největších děr v našem chápání vesmíru.

„Je téměř nemožné detekovat tyto ultralehké bosonové částice na Zemi,“ říká Dr. Lilli Sun, spoluautorka studie. „Částice, pokud existují, mají extrémně malou hmotnost a zřídka interagují s jinou hmotou – což je jedna z klíčových vlastností, kterou má temná hmota.“

Takže pro novou studii tým hledal na obloze druh signálu, který by mohla produkovat mračna ultralehkých bosonů. Protože temná hmota většinou interaguje prostřednictvím gravitace, astronomové se obrátili ke gravitačním vlnám – vlnám v samotné struktuře časoprostoru.

Od roku 2015 byly detekovány desítky signálů gravitačních vln, obvykle produkovaných během kolizí mezi kompaktními objekty, jako jsou černé díry a neutronové hvězdy. Ale mohly by také pocházet z jemnějších jevů, generujících mnohem delší, jemnější vlny na určitých frekvencích.

Tým říká, že ultralehké bosony by se mohly shromažďovat v mracích kolem rychle rotujících černých děr, kde se „tahají“ po objektu a zpomalují jeho rotaci. Nakonec se samotný mrak začne zmenšovat, když bosony anihilují na jiné částice, což generuje gravitační vlny s konkrétními detektory otisků prstů, které mohou zachytit.

Goddardovo středisko pro vesmírné lety NASA/Jeremy Schnittman

„Věříme, že tyto černé díry zachycují obrovské množství bosonových částic ve svém silném gravitačním poli a vytvářejí mrak, který s nimi rotuje společně,“ říká Sun. „Tento jemný tanec pokračuje miliony let a neustále generuje gravitační vlny, které se řítí vesmírem. Hledáním gravitačních vln vyzařovaných těmito mraky můžeme být schopni vystopovat tyto nepolapitelné bosonové částice a možná rozluštit kód temné hmoty.“

Pro kontrolu těchto signálů vědci zkoumali data shromážděná během třetího pozorovacího běhu detektoru Advanced LIGO. Bohužel žádný takový signál nebyl detekován, ale to hypotézu zcela nevylučuje. Místo toho omezuje typ bosonů, které by mohly být zapojeny, a stáří a vzdálenost mraků. Vzhledem k tomu, že se oblak s věkem zmenšuje, signály gravitačních vln by byly pro staré mraky mnohem slabší než pro mladé mraky.

„Dozvěděli jsme se, že konkrétní typ bosonového mračna mladšího než 1000 let pravděpodobně nikde v naší galaxii neexistuje, zatímco oblaka stará až 10 milionů let pravděpodobně nebudou existovat do vzdálenosti asi 3260 světelných let od Země,“ říká. Slunce.

Citlivější detektory by v budoucnu mohly stále najít slabší signály ze starších mraků nebo mladších, které jsou vzdálenější. Nebo samozřejmě můžeme jít na to úplně špatně a temná hmota může být něco úplně jiného.

Výzkum je dostupný na předtiskovém serveru ArXiv.

Zdroj: Australian National University