Таинственные облака могут дать новые ключи к разгадке темной материи

Погоня за гравитационными волнами, рябью в пространстве и времени, вызванной крупными космическими катаклизмами, может помочь решить еще одну горящую загадку Вселенной – бозонные облака и то, являются ли они главным претендентом на темную материю.

Исследователи используют мощные инструменты, такие как усовершенствованная обсерватория гравитационных волн с лазерным интерферометром (LIGO), усовершенствованная Дева и KAGRA, которые обнаруживают гравитационные волны на расстоянии до миллиардов световых лет, чтобы определить местонахождение потенциальных бозонных облаков.

Бозонные облака, состоящие из сверхлегких субатомных частиц, которые практически невозможно обнаружить, были предложены в качестве возможного источника темной материи, которая составляет около 85 процентов всего вещества во Вселенной.

В настоящее время новое крупное международное исследование, проведенное в сотрудничестве LIGO-Virgo-KAGRA под руководством исследователей из Австралийского национального университета (ANU), предлагает одно из лучших на сегодняшний день выводов для поиска этих субатомных частиц путем поиска гравитационных волн, вызванных бозонными облаками, вращающимися вокруг черных дыр.

Доктор Лилли Сан из Центра гравитационной астрофизики ANU сказала, что это исследование было первым в мире обзором всего неба, предназначенным для поиска предсказанных гравитационных волн, исходящих от возможных бозонных облаков вблизи быстро вращающихся черных дыр.

«На Земле практически невозможно обнаружить эти сверхлегкие бозонные частицы», – сказал доктор Сан.

«Частицы, если они существуют, имеют чрезвычайно маленькую массу и редко взаимодействуют с другой материей – что, по-видимому, является одним из ключевых свойств темной материи.

Темная материя – это материал, который нельзя увидеть напрямую, но мы знаем, что темная материя существует из-за эффекта, который она оказывает на объекты, которые мы можем наблюдать.

«Но, ища гравитационные волны, излучаемые этими облаками, мы сможем отследить эти неуловимые бозонные частицы и, возможно, взломать код темной материи. Наши поиски также могут позволить нам исключить некоторые сверхлегкие бозонные частицы, которые, согласно нашим теориям, могут существовать, но на самом деле не существуют ».

Доктор Сан, также младший научный сотрудник Центра передового опыта ARC по открытию гравитационных волн (OzGrav), сказал, что детекторы гравитационных волн позволяют исследователям исследовать энергию быстро вращающихся черных дыр, выделяемых такими облаками, если они существуют.

«Мы считаем, что эти черные дыры захватывают огромное количество бозонных частиц своим мощным гравитационным полем, создавая облако, вращающееся вместе с ними. Этот тонкий танец продолжается миллионы лет и продолжает генерировать гравитационные волны, которые несутся в космосе », – сказала она.

Хотя исследователи еще не обнаружили гравитационные волны от бозонных облаков, доктор Сан сказал, что наука о гравитационных волнах «открыла двери, которые ранее были закрыты для ученых».

«Открытия с помощью гравитационных волн не только предоставляют информацию о загадочных компактных объектах во Вселенной, таких как черные дыры и нейтронные звезды, они также позволяют нам искать новые частицы и темную материю», – сказала она.

«Будущие детекторы гравитационных волн, безусловно, откроют больше возможностей. Мы сможем глубже проникнуть во Вселенную и узнать больше об этих частицах.

«Например, открытие бозонных облаков с помощью детекторов гравитационных волн принесет важную информацию о темной материи и поможет продвинуть другие поиски темной материи. Это также улучшило бы наше понимание физики элементарных частиц в более широком смысле ».

Еще одним важным достижением стало то, что исследование пролило больше света на возможность существования бозонных облаков в нашей галактике с учетом их возраста.

Доктор Сан сказал, что сила любой гравитационной волны зависит от возраста облака, а более старые посылают более слабые сигналы.

«Бозонное облако сжимается, поскольку оно теряет энергию из-за испускания гравитационных волн», – сказал доктор Сан.

«Мы узнали, что определенный тип бозонных облаков моложе 1000 лет вряд ли может существовать где-либо в нашей галактике, а облака возрастом до 10 миллионов лет вряд ли будут существовать в пределах примерно 3260 световых лет от Земли».

Исследование опубликовано в ArXiv.