Подобные объекты смогут обнаружить будущие космические детекторы гравитационных волн, такие как LISA.

Учёные исследуют разные подходы к обнаружению тёмной материи, так как существует много её предполагаемых форм.

Цель исследования — понять, как взаимодействует сверхлёгкая тёмная материя с системами, состоящими из сверхмассивной чёрной дыры (SMBH) и меньшего астрономического тела (звезды или другой чёрной дыры).

Вращение меньшего объекта по спирали может генерировать гравитационные волны, которые помогут изучить поведение сверхлёгкой тёмной материи в этих системах.

Доктор Франциско Дуке, постдокторант Института гравитационной физики Макса Планка и первый автор работы, рассказал о причинах, побудивших команду провести исследование. По его словам, одна из главных нерешенных проблем современной физики — понимание фундаментальной природы темной материи.

Мы знаем, что она существует, но не имеем представления, что это такое помимо того, что темная материя слабо взаимодействует с другими частицами в стандартной модели.

Сверхлегкая темная материя

Сверхлёгкая тёмная материя состоит из частиц, которые не имеют собственного вращения и равномерно распределены в пространстве.

Частицы этого типа тёмной материи могут быть легче электрона в 10²⁸ раз. Они демонстрируют волнообразное поведение на больших масштабах из-за своей малой массы. На малых масштабах они могут влиять на галактические структуры.

Бозонные облака образуются вокруг вращающихся чёрных дыр. Они используют энергию чёрной дыры и увеличиваются в размерах, рассеивая её, а не позволяя поглощать. Это явление называется сверхизлучением.

Если одна из форм сверхлёгкой тёмной материи существует в EMRI, она может влиять на гравитационные волны, исходящие от этих систем.

Релятивистский подход

Предыдущие исследования влияния окружающей среды на EMRI основывались на приближении Ньютона. Но в условиях экстремальных гравитаций или высоких скоростей, близких к скорости света, необходимо учитывать релятивистские эффекты.

Поэтому исследовательская группа использовала полностью релятивистскую систему для изучения среды вокруг EMRI. Они хотели исследовать энергию, теряемую в EMRI из-за гравитационных волн и истощения скалярного поля при взаимодействии с бинарной системой.

Доктор Родриго Висенте, исследователь из Института физики высоких энергий в Барселоне и соавтор исследования, объяснил свои выводы:

Вращаясь вокруг сверхмассивной чёрной дыры, небольшие чёрные дыры проходят сквозь тёмную материю и создают плотный шлейф, похожий на след от пловца в бассейне. Этот след замедляет чёрную дыру и изменяет сигналы гравитационных волн.

Плотность облаков сверхлёгкой тёмной материи вокруг SMBH может превышать плотность золота в 20 раз. Это говорит о значительном влиянии сверхлёгкой тёмной материи на эволюцию EMRI и других подобных систем.

LISA и будущие обнаружения

Будущие детекторы, такие как LISA, смогут обнаружить сдвиг в сигналах гравитационных волн, вызванный сверхлегкой темной материей.

LISA запустят в 2035 году. Он будет чувствителен к миллигерцовым частотам и сможет наблюдать EMRI с высокой точностью. LISA сможет отслеживать эти системы в течение долгого времени, что позволит ему наблюдать сдвиг фаз, вызванный динамическим трением.

Однако если подобные эффекты не будут замечены, данные LISA можно будет использовать для наложения жестких ограничений на существование сверхлегких полей в широком диапазоне масс.

За пределами темной материи

Исследователи изучили, как ведут себя нечеткая темная материя и бозонные облака. Они выяснили, что при большом расстоянии между объектом и сверхмассивной черной дырой (SMBH) потери энергии из-за истощения скалярного поля нечеткой темной материи могут быть больше потерь от излучения гравитационных волн.

Также ученые обнаружили резонансное поведение гравитационных волн — релятивистский эффект, которого нет в ньютоновских моделях.

Исследователи обнаружили, что рассеяние энергии через скалярное истощение чувствительно к свойствам окружающей среды для бозонных облаков.

Более точная модель того, как различные типы материи влияют на гравитационные волны, может значительно продвинуть наше понимание гравитации и открыть путь для изучения тёмной материи.

В будущей работе исследователи планируют расширить свою схему для учёта эксцентричных орбит, которые часто встречаются в EMRI.

Они хотят адаптировать свою схему к дискам активных галактических ядер (AGN), которые содержат много тёмной материи. А это исследование поможет лучше понять роль тёмной материи во Вселенной.

Иллюстрация: нейросеть