المادة المظلمة، ذلك الضيف الخفي الأشهر في الكون، يُعتقد أنها تشكل معظم المادة في الكون - ومع ذلك لا يمكن لأحد رؤيتها أو لمسها أو الحصول على رد منها. على عكس المادة العادية، ترفض التفاعل مع الضوء أو القوى الكهرومغناطيسية، تاركة الجاذبية كالطريقة الوحيدة المعروفة لكشف وجودها. الآن، يعتقد الباحثون أن اصطدام الثقوب السوداء قد يمنح هذه المادة المراوغة أخيرًا سببًا لتظهر نفسها.
طور فيزيائيون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) وعدة مؤسسات أوروبية طريقة لرصد إشارات محتملة للمادة المظلمة مخبأة داخل موجات الجاذبية - تلك التموجات في الزمكان التي تنشأ عندما تندمج أجسام ضخمة مثل الثقوب السوداء معًا. إذا مرت تلك الثقوب السوداء عبر سحب كثيفة من المادة المظلمة قبل الاصطدام، فقد تحمل موجات الجاذبية الناتجة آثارًا خفية لذلك التفاعل، مثل بصمة كونية على نافذة. اختبر الفريق طريقتهم باستخدام بيانات متاحة للعموم من LIGO-Virgo-KAGRA (LVK)، الشبكة الدولية لمراصد موجات الجاذبية التي تراقب اندماجات الثقوب السوداء والأحداث الكونية البعيدة الأخرى.
حلل الباحثون الإشارات من أول ثلاث جولات رصد لـ LVK، مع التركيز على 28 من أوضح أحداث موجات الجاذبية المكتشفة حتى الآن. بالنسبة لـ 27 من تلك الأحداث، تطابقت الإشارات مع ما يتوقعه العلماء من اندماج ثقوب سوداء في الفضاء الفارغ - كالمعتاد في الفراغ. لكن إشارة واحدة، تُعرف باسم GW190728، بدت مختلفة. وفقًا لتحليل الفريق، قد يحتوي نمط تلك الموجة الجاذبية على دليل على تفاعل مع المادة المظلمة. يؤكد الباحثون أن هذا لا يُعتبر اكتشافًا مؤكدًا - بل هو أقرب إلى خيط واعد في قضية كونية باردة.
يقول جوسو أوريكويتكسيا، باحث ما بعد الدكتوراه في قسم الفيزياء في MIT: "نحن نعلم أن المادة المظلمة حولنا. يجب أن تكون كثيفة بما يكفي لنرى تأثيراتها. توفر الثقوب السوداء آلية لتعزيز هذه الكثافة، والتي يمكننا الآن البحث عنها من خلال تحليل موجات الجاذبية المنبعثة عند اندماجها." تظهر النتائج في مجلة Physical Review Letters، بمشاركة أوريكويتكسيا وعضو LVK سومين روي من جامعة كاثوليك لوفان (UCLouvain) في بلجيكا، ورودريغو فيسنتي من جامعة أمستردام، وكيتي كلوف من جامعة كوين ماري في لندن، وبيدرو فيريرا من جامعة أكسفورد.
لا تزال المادة المظلمة واحدة من أكبر إحراجات الفيزياء - يستنتج العلماء وجودها لأن الجاذبية حول المجرات تبدو أقوى مما يمكن تفسيره بالمادة المرئية وحدها، وتظهر ملاحظات عدسة الجاذبية كتلة إضافية تحني الضوء. تشير التقديرات الحالية إلى أن المادة المظلمة قد تشكل أكثر من 85% من المادة في الكون، لكن الباحثين لا يزالون لا يعرفون ما هي بالضبط. أحد الأشكال المقترحة يتضمن جسيمات خفيفة جدًا تسمى جسيمات "سكالار خفيفة"، والتي تشير النظريات إلى أنها يمكن أن تتصرف مثل موجات منسقة بالقرب من الثقوب السوداء. يعتقد العلماء أنه عندما تواجه هذه الموجات ثقبًا أسود سريع الدوران، يمكن أن تنتقل طاقة دوران الثقب الأسود إلى موجات المادة المظلمة، مما يزيد كثافتها بشكل كبير - وهي عملية تُعرف باسم superradiance، والتي تم تشبيهها بخفق الكريمة لتحويلها إلى زبدة. (لسنا متأكدين من أن طعم المادة المظلمة مثل الزبدة، لكن التشبيه صحيح.) إذا أصبحت الكثافة عالية بما يكفي، يمكن للمادة المظلمة أن تغير موجات الجاذبية الناتجة عند اصطدام الثقوب السوداء.
للتحقيق في ذلك، بنى الباحثون محاكاة مفصلة لاندماجات الثقوب السوداء تحت ظروف مختلفة، مع تغيير عوامل مثل كتل وأحجام الثقوب السوداء، وكمية المادة المظلمة المحيطة، وكثافتها. باستخدام تلك المحاكاة، توقع الفريق كيف ستبدو موجات الجاذبية إذا اندمجت الثقوب السوداء داخل بيئة مادة مظلمة كثيفة بدلاً من الفراغ، وأخذوا في الاعتبار كيف ستتغير تلك الموجات أثناء سفرها عبر ملايين السنين الضوئية إلى الأرض. بمقارنة توقعاتهم مع ملاحظات LVK الفعلية، كان GW190728 هو الحدث الوحيد من بين 28 الذي أظهر