Неуловимый аксион: черные дыры и гравитационные волны помогут изучить темную материю
Последние несколько лет были полны удивительных открытий. Ученые обнаружили бозон Хиггса, частицу, охота за которой шла на протяжении вот уже 50 лет, а следом за ней — гравитационные волны, которые до этого были лишь теорией, выведенной 100 лет назад. В этом году исследователи планируют сфотографировать черную дыру. Так почему же не пойти еще дальше и не объединить все эти фантастические гипотезы и факты? Что если мы, к примеру, попытаемся обнаружить темную материю, излучаемую черными дырами, с помощью гравитационных волн?
На самом деле, это весьма перспективный подход. С открытием гравитационных волн, которые являются своего рода рябью в пространстве-времени, порождаемой глобальными физическими событиями, появилась возможность использовать их для наблюдений за космосом. Физики полагают, что таким образом у них появился способ обнаружить новые частицы, которые могут образовывать темную материю — неизвестную субстанцию, на долю которой приходится порядка 80% всей гравитации во Вселенной.
«Основная идея заключается в том, что мы пытаемся использовать черные дыры — самые плотные, самые компактные объекты во Вселенной, для поиска новых частиц», говорит Маша Баряхтар, докторант Института периметрического института теоретической физики в Канаде. Исследователей особенно интересует одна частица — аксион. Его поиски продолжаются вот уже 40 лет.
Черные дыры — это гравитационные «воронки» Вселенной, притяжение которых настолько велико, что свет уже не может вырваться за их пределы. У них такие мощные гравитационные поля, что они создают гравитационные волны, когда они сталкиваются друг с другом. Темная материя, согласно некоторым гипотезам, может представлять собой аксионы — частицы, которые примерно в квинтиллион (миллиард миллиардов) раз легче электрона и «подвешены» в пространстве вблизи черных дыр. Теперь, когда мы прояснили терминологию, поговорим о самой теории.
Баряхтар и ее коллеги считают, что черные дыры — это больше, чем просто «ловушки для света», но нечто вроде ядер, находящихся в центре своего рода «гравитационного атома». Аксионы, в таком случае, были бы аналогами электронов. Если вы следили за новостями об исследовании черных дыр, то наверняка слышали, что вокруг них вращаются невероятно горячие высокоэнергетические газовые диски, создаваемые трением между частицами, ускоренными гравитацией черной дыры. Новая теория игнорирует этот факт, поскольку аксионы не будут взаимодействовать друг с другом посредством трения.
Если продолжить «атомную» аналогию, аксионы могут перемещаться вокруг черной дыры, получая и теряя энергию так же, как электроны. Но электроны взаимодействуют посредством электромагнетизма, поэтому они и производят электромагнитные или световые волны. Аксионы взаимодействуют посредством гравитации, поэтому они производят волны гравитационные. Но, как уже было сказано ранее, размер аксионов невероятно мал, а черная дыра, в отличие от крошечного атома, производя в процессе вращения очень большее количества аксионов, которое лишь возрастает со временем. Так что, несмотря на крошечную массу аксиона, этот так называемый «процесс сверхизлучения» мог на текущий момент создать 10 80 аксионов вокруг лишь одной черной дыры — то есть число, сравнимое с числом атомов во всей Вселенной! Впечатляет, правда?
Самым интересным является то, что мы можем засечь гравитационные волны от аксионов с помощью детекторов подобно тому, как на картинках в школьных учебниках изображают линии траектории движения электронов вокруг атома. «Их можно обнаружить на определенной частоте, которая примерно в два раза превышает массу аксиона», говорит Баряхтар.
Для подобных измерений существуют гигантские гравитационные волновые детекторы, рассредоточенные по всему миру. В настоящее время в Вашингтоне и Луизиане работает LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory), а в Италии — Virgo, которые обладают достаточной чувствительностью и могут обнаружить гравитационные волны, а определенные апгрейды в будущем помогут засечь и аксионы, что позволит подтвердить гипотезу. Ученым, по факту, необходимо будет осуществить запись данных, воспроизвести их и настроить приборы на анализ полученного материала как радио, которое ловит сигнал на нужной частоте.
Есть и другие способы, с помощью которых команда может определить эффект сверхизлучения: к примеру, измерение спинов черных дыр. Если те действительно производят аксионы, то ученые увидят очень мало черных дыр, которые быстро вращаются во время столкновений, поскольку эффект сверхизлучения замедлял бы их, согласно исследованию, опубликованному в этом месяце в журнале Physical Review D. К тому же, спины черных дыр имели бы определенную структуру, которую мы могли бы обнаружить в данных, полученных при анализе гравитационных волн.
У этой теории, конечно, существует и ряд недостатков. Теоретические «атомы» черных дыр должны создавать аксионы определенной массы, и эта масса, по расчетам ученых, не совсем соответствует предполагаемой массе частиц темной материи. Кроме того, некоторые идеи с обнаружением аксионов могут и не сработать, поскольку концепция на данном этапе не учитывает влияние другой черной дыры. Об этом заявляет доктор Лайонел Лондон, научный сотрудник Кардиффского университета физики и астрономии, специализирующийся на моделировании гравитационных волн. Впрочем, он полагает, что эксперимент удастся, если влияние «дыры-компаньона» не будет слишком велико.
Так когда же нам ждать результатов всех этих впечатляющих опытов? В настоящее время ни LIGO, ни Virgo еще не модернизированы, но уже в ближайшем будущем, по словам Баряхтар, исследователи смогут зарегистрировать до 1000 сигналов аксионов. Это позволит существенно приблизиться к разгадке того, что же представляет собой темная материя и не только значительно расширит наше понимание принципов работы Вселенной, но также может стать прорывом и в сфере технологий будущего.