Ciemna materia, najsłynniejszy niewidzialny gość we wszechświecie, według stanowi większość materii w kosmosie - a jednak nikt nie może jej zobaczyć, dotknąć ani zmusić do odpowiedzi na zaproszenie. W przeciwieństwie do zwykłej materii, odmawia interakcji ze światłem lub siłami elektromagnetycznymi, pozostawiając grawitację jako jedyny znany sposób na wykrycie jej obecności. Teraz naukowcy uważają, że zderzające się czarne dziury mogą w końcu dać tej nieuchwytnej substancji powód, by się ujawnić.

Fizycy z MIT i kilku europejskich instytucji opracowali metodę wykrywania możliwych sygnałów ciemnej materii ukrytych w falach grawitacyjnych - tych zmarszczkach czasoprzestrzeni powstających, gdy masywne obiekty, takie jak czarne dziury, spiralnie zbliżają się i łączą. Jeśli te czarne dziury przed zderzeniem przemieszczają się przez gęste obłoki ciemnej materii, powstałe fale grawitacyjne mogą nieść subtelne ślady tej interakcji, jak kosmiczny odcisk dłoni na szybie. Zespół przetestował swoje podejście, korzystając z publicznie dostępnych danych z LIGO-Virgo-KAGRA (LVK), międzynarodowej sieci obserwatoriów fal grawitacyjnych monitorujących łączenia czarnych dziur i inne odległe kosmiczne zdarzenia.

Naukowcy przeanalizowali sygnały z pierwszych trzech serii obserwacyjnych LVK, koncentrując się na 28 najczystszych zdarzeniach fal grawitacyjnych wykrytych do tej pory. Dla 27 z tych zdarzeń sygnały odpowiadały temu, czego naukowcy spodziewaliby się po łączeniu czarnych dziur w pustej przestrzeni - biznes jak zwykle w próżni. Ale jeden sygnał, znany jako GW190728, wydawał się inny. Według analizy zespołu, wzór tej fali grawitacyjnej może zawierać dowody interakcji z ciemną materią. Naukowcy podkreślają, że nie jest to potwierdzone odkrycie - bardziej obiecujący trop w kosmicznej zimnej sprawie.

„Wiemy, że ciemna materia jest wokół nas. Musi być tylko wystarczająco gęsta, abyśmy mogli zobaczyć jej efekty” - mówi Josu Aurrekoetxea, postdoc na Wydziale Fizyki MIT. „Czarne dziury zapewniają mechanizm zwiększania tej gęstości, który możemy teraz badać, analizując fale grawitacyjne emitowane podczas ich łączenia.” Wyniki ukazały się w Physical Review Letters, współautorami są Aurrekoetxea, członek LVK Soumen Roy z Université Catholique de Louvain (UCLouvain) w Belgii, Rodrigo Vicente z Uniwersytetu w Amsterdamie, Katy Clough z Queen Mary University of London oraz Pedro Ferreira z Uniwersytetu Oksfordzkiego.

Ciemna materia pozostaje jednym z największych wstydów fizyki - naukowcy wnioskują o jej istnieniu, ponieważ grawitacja wokół galaktyk wydaje się silniejsza, niż może to wyjaśnić sama widzialna materia, a obserwacje soczewkowania grawitacyjnego pokazują dodatkową masę zakrzywiającą światło. Obecne szacunki sugerują, że ciemna materia może stanowić ponad 85 procent materii we wszechświecie, ale naukowcy wciąż nie wiedzą, czym tak naprawdę jest. Jedna z proponowanych form obejmuje niezwykle lekkie cząstki zwane „lekkimi skalarami”, które według teorii mogą zachowywać się jak skoordynowane fale w pobliżu czarnych dziur. Naukowcy uważają, że gdy te fale napotkają szybko wirującą czarną dziurę, energia rotacyjna czarnej dziury może zostać przeniesiona na fale ciemnej materii, dramatycznie zwiększając ich gęstość - proces znany jako superradiacja, porównywany do ubijania śmietany na masło. (Nie jesteśmy pewni, czy ciemna materia smakuje jak masło, ale analogia się trzyma.) Jeśli gęstość stanie się wystarczająco wysoka, ciemna materia może zmienić fale grawitacyjne powstające podczas zderzeń czarnych dziur.

Aby to zbadać, naukowcy zbudowali szczegółowe symulacje łączeń czarnych dziur w wielu różnych warunkach, zmieniając czynniki takie jak masy i rozmiary czarnych dziur, ilość otaczającej ciemnej materii i jej gęstość. Korzystając z tych symulacji, zespół przewidział, jak wyglądałyby fale grawitacyjne, gdyby czarne dziury łączyły się w gęstym środowisku ciemnej materii, a nie w próżni, i uwzględnił, jak te fale zmieniałyby się podczas podróży przez miliony lat świetlnych na Ziemię. Porównując swoje przewidywania z rzeczywistymi obserwacjami LVK, GW190728 było jedynym zdarzeniem spośród 28, które wykazało zgodność.