Czarne dziury jako szpiegowie ciemnej materii
Wyobraź sobie, że 85 procent wszystkiego, co istnieje we Wszechświecie, pozostaje dla nas kompletnie niewidoczne. Nie da się go zobaczyć, nie da się go dotknąć. A jednak wiemy, że tam jest – bo wpływa na ruch gwiazd i galaktyk. Naukowcy nazywają to „ciemną materią”. I od lat próbują ją złapać.
Największy problem? Nie wiemy, czym właściwie jest. To jak ślady stóp w piasku, których właściciel zniknął bez śladu.
Czarne dziury mogą zostawić ślad
Teraz fizycy z MIT i kilku europejskich uczelni proponują zupełnie nowy sposób na jej wykrycie. Ich pomysł opiera się na czarnych dziurach – najbardziej ekstremalnych obiektach w kosmosie.
Gdy dwie czarne dziury krążą wokół siebie i w końcu się zderzają, wytwarzają fale grawitacyjne. To drgania czasoprzestrzeni, które rozchodzą się po całym Wszechświecie. Naukowcy rejestrują te fale od kilku lat dzięki detektorom LIGO, Virgo i KAGRA.
Jeśli jednak czarne dziury przechodziły wcześniej przez gęstą chmurę ciemnej materii, ta chmura mogła zostawić na falach swój odcisk. I właśnie tego odcisku szukają teraz badacze.
Jak działa superradiancja
Klucz do tego pomysłu leży w zjawisku zwanym superradiancją. Gdy wokół szybko wirującej czarnej dziury pojawią się lekkie cząstki ciemnej materii, czarna dziura może przekazać im część swojej energii. Efekt? Cząstki zaczynają gęstnieć wokół niej, tworząc coś w rodzaju niewidzialnej otoczki.
Gdy taka otoczona czarna dziura zderzy się z inną, fale grawitacyjne, które przy tym powstają, mogą wyglądać nieco inaczej niż zwykle. To właśnie ten „inny wygląd” ma zdradzić obecność ciemnej materii.
Co znaleźli w danych
Zespół zbudował szczegółowe symulacje komputerowe i porównał je z rzeczywistymi sygnałami fal grawitacyjnych. Sprawdzili 28 najczystszych zdarzeń zarejestrowanych do tej pory.
W 27 przypadkach wszystko wyglądało normalnie – czarne dziury zderzały się w pustej przestrzeni. Ale jeden sygnał, oznaczony jako GW190728, odstawał od reszty. Jego kształt sugeruje, że wokół czarnych dziur mogła znajdować się gęsta chmura ciemnej materii.
Naukowcy od razu zaznaczają: to nie jest jeszcze dowód. To tylko podejrzany ślad, który wymaga dalszych badań.
Nowy sposób polowania
Dotychczas próbowano wykryć ciemną materię bezpośrednio – budując ogromne detektory głęboko pod ziemią. Tym razem naukowcy idą okrężną drogą. Zamiast szukać samej ciemnej materii, szukają jej wpływu na coś, co już potrafimy zmierzyć: fale grawitacyjne.
To podejście może otworzyć całkowicie nową ścieżkę. Jeśli metoda się sprawdzi, kolejne sygnały z LIGO i Virgo będą dostarczać kolejnych informacji o tym, gdzie i w jakiej gęstości ukrywa się ciemna materia.
Co to oznacza dla nas
Mamy dziś instrumenty zdolne wykryć drgania mniejsze niż średnica protonu. Wykorzystujemy je do szukania czegoś, co stanowi większość materii we Wszechświecie. I to właśnie w tym tkwi największa siła współczesnej fizyki – w odwadze, by patrzeć tam, gdzie jeszcze nikt nie patrzył.