Физики ищут тянущуюся за черными дырами темную материю

19.04.2021 23:54

Физики ищут тянущуюся за черными дырами темную материю

Из всей материи во Вселенной обычные вещества, с которыми мы взаимодействуем каждый день, составляют лишь около 15 процентов. Подавляющее большинство связано с тем, что мы называем темной материей, которая, кажется, взаимодействует с нормальной материей только посредством гравитации.

Прямое обнаружение частиц темной материи ускользало от ученых на протяжении десятилетий, но не из-за отсутствия попыток. Эксперименты на Земле заключались в поиске странного материала с помощью Большого адронного коллайдера, "аксионных радиоприемников", массивов из миллиардов крошечных маятников, огромных подземных резервуаров с экзотическими жидкостями или сверхпроводящих полостей.

Но космос, похоже, проводит свои собственные эксперименты, позволяя нам обнаружить след темной материи в космосе - если мы знаем, где искать. Это может включать необычное рентгеновское излучение галактик по мере распада частиц темной материи или, возможно, странные вспышки света или рентгеновские лучи возле нейтронных звезд, когда частицы темной материи превращаются в фотоны в своих мощных магнитных полях.

Теперь физики из лаборатории LIGO Массачусетского технологического института искали признаки загадочной материи в новой среде вокруг черных дыр. Их целью из темной материи была гипотетическая частица, называемая сверхлегкими бозонами, которая, как следует из названия, имеет чрезвычайно маленькую массу - менее одной миллиардной массы электрона.

Если бы эти сверхлегкие бозоны существовали, квантовая теория предсказывает, что черные дыры определенной массы втягивали бы огромные облака из них. Но они не будут просто втянуты, как можно было бы ожидать - вместо этого эти частицы собирались бы вокруг черной дыры и фактически увлекались ею, замедляя ее вращение. Следовательно, если вы обнаружите, что черные дыры определенной массы вращаются медленнее, чем они «должны» быть в противном случае, это может свидетельствовать о влиянии темной материи.

"Если бозоны существуют, мы могли бы ожидать, что старые черные дыры соответствующей массы не имеют больших спинов, поскольку бозонные облака извлекли бы большую их часть", - говорит Кван Йунг Нг, ведущий автор исследования. "Это означает, что открытие черной дыры с большими спинами может исключить существование бозонов с определенными массами".

Этот странный эффект - результат некоторых квантовых причуд. По сути, из-за их невероятно малой массы эти частицы нельзя описать как находящиеся в одном конкретном месте одновременно. Вместо этого они описываются волной вероятных местоположений, и чем меньше размер частицы, тем длиннее становится эта волна (то есть, тем больше возможных мест она может быть в любой момент времени).

Итак, если сверхлегкие бозоны существуют в определенном диапазоне масс, их длина волны будет сравнима с радиусом черной дыры определенной массы. Поскольку вы никогда не сможете точно определить, где находится одна из этих крошечных частиц, если она находится рядом с черной дырой, вы никогда не сможете быть полностью уверены, что она "упала". По сути, облако выскакивает из черной дыры, теряя при этом ее угловой момент.

"Если вы запрыгнете на карусель, а затем спуститесь с нее, вы можете украсть энергию из карусели", - говорит Сальваторе Витале, соавтор исследования. "Эти бозоны делают то же самое с черной дырой".

Чтобы определить, существуют ли такие облака темной материи, астрономы изучили спины 45 двойных черных дыр. Они были взяты из данных исследований гравитационных волн, созданных коллаборацией LIGO и Virgo при столкновении черных дыр.

Команда подсчитала, насколько быстро каждая из этих черных дыр будет вращаться, если бы они взаимодействовали со сверхлегкими бозонами в определенном диапазоне масс - от 1,3x10 ^ -13 электронвольт до 2,7x10 ^ -13.

Они обнаружили, что две черные дыры вращались слишком быстро, чтобы иметь какое-либо взаимодействие со сверхлегкими бозонами. Фактически, один из них вращался на максимально возможной скорости.

По словам ученых, этот результат достаточно убедителен, чтобы исключить сверхлегкие бозоны в этом диапазоне масс как темную материю. Нельзя сказать, что самой темной материи не существует - вместо этого, как и многие другие нулевые результаты, полученные в других экспериментах, это просто означает, что мы сужаем область возможных частиц, из которых она могла бы состоять.

Или, может быть, действительно не существует такой вещи, как темная материя, и эффекты, которые мы ей приписываем, вызваны совершенно другой физикой .

Напомним, ранее сообщалось, что альтернативу темной материи нашли в модифицированной гравитации.

Источник

Редакция: | Карта сайта: XML | HTML | SM
2013-2021 © "МехКорпс — роботы и киборги". Все права защищены.