Η σκοτεινή ύλη πιστεύεται ότι αποτελεί το μεγαλύτερο μέρος της ύλης στο σύμπαν, ωστόσο οι επιστήμονες δεν μπορούν ακόμη να την παρατηρήσουν άμεσα. Σε αντίθεση με την κανονική ύλη, η σκοτεινή ύλη δεν αλληλεπιδρά με το φως ή την ηλεκτρομαγνητική ενέργεια, καθιστώντας τη βαρύτητα τον μόνο τρόπο ανίχνευσης της παρουσίας της. Τώρα, οι ερευνητές πιστεύουν ότι οι μαύρες τρύπες που συγκρούονται μπορεί να παρέχουν έναν νέο τρόπο αναζήτησης ενδείξεων σχετικά με αυτήν την αόρατη ουσία.
Οι φυσικοί του MIT και αρκετών ευρωπαϊκών ιδρυμάτων έχουν αναπτύξει μια μέθοδο για την ανίχνευση πιθανών ενδείξεων σκοτεινής ύλης που κρύβεται στα βαρυτικά κύματα. Αυτοί οι κυματισμοί στο χώρο και στο χρόνο δημιουργούνται όταν ογκώδη αντικείμενα όπως οι μαύρες τρύπες ενώνονται μεταξύ τους. Εάν αυτές οι μαύρες τρύπες ταξιδεύουν μέσα από πυκνά σύννεφα σκοτεινής ύλης πριν συγκρουστούν, τα προκύπτοντα βαρυτικά κύματα μπορεί να φέρουν λεπτά ίχνη αυτής της αλληλεπίδρασης.
Η ομάδα δοκίμασε την προσέγγισή της χρησιμοποιώντας δημόσια διαθέσιμα δεδομένα που συλλέγονται από το LIGO-Virgo-KAGRA (LVK), το διεθνές δίκτυο παρατηρητηρίων βαρυτικών κυμάτων που παρακολουθούν τις συγχωνεύσεις μαύρων τρυπών και άλλα μακρινά κοσμικά γεγονότα.
Αναζήτηση βαρυτικών κυμάτων για στοιχεία σκοτεινής ύλης
Οι ερευνητές ανέλυσαν τα σήματα που συλλέχθηκαν κατά τη διάρκεια των τριών πρώτων δοκιμών παρατήρησης του LVK. Επικεντρώθηκαν σε 28 από τα πιο καθαρά συμβάντα βαρυτικών κυμάτων που έχουν εντοπιστεί ποτέ.
Για 27 συμβάντα, τα σήματα ταίριαζαν με αυτό που θα περίμεναν οι επιστήμονες από μια μαύρη τρύπα που συγχωνευόταν στον κενό χώρο. Αλλά ένα σήμα, γνωστό ως GW190728, εμφανίστηκε διαφορετικό. Σύμφωνα με την ανάλυση της ομάδας, αυτά τα μοτίβα βαρυτικών κυμάτων μπορεί να περιέχουν στοιχεία αλληλεπιδράσεων με τη σκοτεινή ύλη.
Οι ερευνητές τονίζουν ότι αυτό δεν ισοδυναμεί με οριστική ανακάλυψη της σκοτεινής ύλης. Αντίθετα, η νέα τεχνική παρέχει έναν τρόπο σάρωσης δεδομένων βαρυτικών κυμάτων για πολλά υποσχόμενα σήματα που μπορούν στη συνέχεια να διερευνηθούν περαιτέρω.
“Γνωρίζουμε ότι η σκοτεινή ύλη είναι παντού γύρω μας. Θα πρέπει να είναι αρκετά πυκνή για να βλέπουμε τα αποτελέσματά της”, δήλωσε ο Josue Orequetxia, μεταδιδάκτορας στο Τμήμα Φυσικής του MIT. «Οι μαύρες τρύπες παρέχουν έναν μηχανισμό για την αύξηση αυτής της πυκνότητας, τον οποίο μπορούμε τώρα να διερευνήσουμε αναλύοντας τα βαρυτικά κύματα που εκπέμπονται κατά τις συγχωνεύσεις».
Τα αποτελέσματα εμφανίζονται στο Physical Review Letters. Ο Aurrekoetxea συνέγραψε τη μελέτη με το μέλος του LVK Saumen Roy του Université Catholique de Louvain (UCLouvain) στο Βέλγιο, τον Rodrigo Vicente από το Πανεπιστήμιο του Άμστερνταμ, την Katy Clough του Πανεπιστημίου Queen Mary του Λονδίνου και τον Pedro Ferreira του Πανεπιστημίου της Οξφόρδης.
Πώς οι μαύρες τρύπες μπορούν να επιταχύνουν τη σκοτεινή ύλη
Η σκοτεινή ύλη είναι ένα από τα μεγαλύτερα μυστήρια της φυσικής. Οι επιστήμονες υποθέτουν την ύπαρξή του επειδή η βαρύτητα γύρω από τον γαλαξία φαίνεται να είναι ισχυρότερη από αυτή της ορατής ύλης και μόνο. Οι παρατηρήσεις του βαρυτικού φακού, όπου το φως κάμπτεται γύρω από τους γαλαξίες, υποδηλώνουν ότι μια επιπλέον αόρατη πηγή μάζας επηρεάζει το διάστημα.
Οι τρέχουσες εκτιμήσεις δείχνουν ότι η σκοτεινή ύλη μπορεί να αντιπροσωπεύει περισσότερο από το 85 τοις εκατό της ύλης στο σύμπαν. Ωστόσο, οι ερευνητές δεν γνωρίζουν ακόμα από τι αποτελείται στην πραγματικότητα η σκοτεινή ύλη.
Μια προτεινόμενη μορφή περιλαμβάνει εξαιρετικά ελαφριά σωματίδια που ονομάζονται σωματίδια «ελαφρύ βαθμωτό». Οι θεωρίες προτείνουν ότι αυτά τα σωματίδια μπορεί να συμπεριφέρονται σαν συνεκτικά κύματα κοντά σε μαύρες τρύπες.
Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι όταν αυτά τα κύματα συναντούν μια ταχέως περιστρεφόμενη μαύρη τρύπα, η περιστροφική ενέργεια της μαύρης τρύπας μπορεί να μεταφερθεί στα κύματα της σκοτεινής ύλης, αυξάνοντας δραματικά την πυκνότητά τους. Αυτή η διαδικασία, γνωστή ως υπερακτινοβολία, έχει συγκριθεί με το κτυπώντας κρέμα σε βούτυρο.
Εάν η πυκνότητα είναι αρκετά υψηλή, η σκοτεινή ύλη μπορεί να τροποποιήσει τα βαρυτικά κύματα που παράγονται όταν συγκρούονται οι μαύρες τρύπες.
Πρόβλεψη αποτυπωμάτων σκοτεινής ύλης στον χωροχρόνο
Για να διερευνήσουν αυτή την πιθανότητα, οι ερευνητές δημιούργησαν λεπτομερείς προσομοιώσεις συγχωνεύσεων μαύρης τρύπας υπό διάφορες συνθήκες. Εξαρτώνται από διάφορους παράγοντες, συμπεριλαμβανομένης της μάζας και του μεγέθους της μαύρης τρύπας, της ποσότητας της γύρω σκοτεινής ύλης και της πυκνότητας αυτής της ύλης.
Χρησιμοποιώντας αυτές τις προσομοιώσεις, η ομάδα προέβλεψε πώς θα εμφανίζονταν τα βαρυτικά κύματα εάν οι μαύρες τρύπες συγχωνεύονταν σε ένα περιβάλλον πυκνής σκοτεινής ύλης και όχι σε κενό.
Το μοντέλο υπολόγιζε επίσης πώς θα άλλαζαν αυτά τα κύματα καθώς ταξίδευαν εκατομμύρια έτη φωτός πριν φτάσουν στον ανιχνευτή στη Γη.
Στη συνέχεια, οι ερευνητές συνέκριναν τις προβλέψεις τους με πραγματικές παρατηρήσεις LVK. Από τα 28 ισχυρά σήματα που δοκιμάστηκαν, το GW190728 είναι το μόνο που φαίνεται να συμφωνεί με το σενάριο της σκοτεινής ύλης.
Το GW190728 εντοπίστηκε για πρώτη φορά στις 28 Ιουλίου 2019. Προηγούμενες μελέτες είχαν δείξει ότι το σήμα προερχόταν από δύο μαύρες τρύπες με συνδυασμένη μάζα 20 φορές μεγαλύτερη από αυτή του Ήλιου. Σύμφωνα με τη νέα ανάλυση, αυτές οι μαύρες τρύπες μπορούν να συγχωνευθούν σε πυκνά σύννεφα σκοτεινής ύλης.
Ένα πολλά υποσχόμενο νέο εργαλείο για την έρευνα της σκοτεινής ύλης
«Η στατιστική σημασία αυτού δεν είναι αρκετή για να ισχυριστεί κανείς την ανίχνευση της σκοτεινής ύλης και θα πρέπει να γίνουν περαιτέρω έλεγχοι από ανεξάρτητες ομάδες», είπε ο Orecotxia. «Αυτό που πιστεύουμε ότι είναι σημαντικό να τονίσουμε είναι ότι χωρίς μοντέλα κυματομορφής όπως το δικό μας, μπορούμε να ανιχνεύσουμε συγχωνεύσεις μαύρων οπών σε περιβάλλοντα σκοτεινής ύλης, αλλά συστηματικά τις ταξινομούμε ως συμβαίνουν στο κενό».
Οι ερευνητές λένε ότι ο αυξανόμενος αριθμός παρατηρήσεων βαρυτικών κυμάτων θα μπορούσε να καταστήσει αυτή τη μέθοδο όλο και πιο βιώσιμη τα επόμενα χρόνια.
«Έχουμε τώρα τη δυνατότητα να ανακαλύψουμε τη σκοτεινή ύλη γύρω από τις μαύρες τρύπες καθώς οι ανιχνευτές LVK συνεχίζουν να συλλέγουν δεδομένα τα επόμενα χρόνια», δήλωσε ο συν-συγγραφέας Soumen Roy, ο οποίος ηγήθηκε του τμήματος ανάλυσης δεδομένων της εργασίας. “Αυτή είναι μια συναρπαστική στιγμή για να εξερευνήσετε νέα φυσική χρησιμοποιώντας βαρυτικά κύματα.”
«Η χρήση μαύρων οπών για την αναζήτηση της σκοτεινής ύλης θα ήταν φανταστική», πρόσθεσε ο συν-συγγραφέας Rodrigo Vicente, ο οποίος δημιούργησε το αναλυτικό μοντέλο του σήματος. «Θα είμαστε σε θέση να διερευνήσουμε τη σκοτεινή ύλη σε πολύ μικρότερες κλίμακες από ποτέ».
Η έρευνα υποστηρίχθηκε από το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών των ΗΠΑ και το Κέντρο Θεωρητικής Φυσικής του MIT – ένα Ινστιτούτο Leinweber.
