Materia întunecată, cel mai faimos musafir invizibil al universului, se crede că alcătuiește cea mai mare parte a materiei din cosmos – și totuși nimeni nu o poate vedea, atinge sau face să confirme prezența. Spre deosebire de materia obișnuită, ea refuză să interacționeze cu lumina sau forțele electromagnetice, lăsând gravitația ca singura modalitate cunoscută de a-i detecta prezența. Acum, cercetătorii cred că găurile negre în coliziune ar putea în sfârșit da acestei substanțe evazive un motiv să se arate.

Fizicieni de la MIT și de la mai multe instituții europene au dezvoltat o metodă de a detecta posibile semnale ale materiei întunecate ascunse în undele gravitaționale – acele ondulații în spațiu-timp create atunci când obiecte masive precum găurile negre se învârt una în jurul celeilalte și se unesc. Dacă acele găuri negre călătoresc prin nori denși de materie întunecată înainte de coliziune, undele gravitaționale rezultate ar putea purta urme subtile ale acelei interacțiuni, ca o amprentă cosmică pe o fereastră. Echipa și-a testat abordarea folosind date disponibile public de la LIGO-Virgo-KAGRA (LVK), rețeaua internațională de observatoare de unde gravitaționale care monitorizează fuziunile găurilor negre și alte evenimente cosmice îndepărtate.

Cercetătorii au analizat semnalele din primele trei perioade de observare ale LVK, concentrându-se pe 28 dintre cele mai clare evenimente de unde gravitaționale detectate până acum. Pentru 27 dintre aceste evenimente, semnalele s-au potrivit cu ceea ce oamenii de știință s-ar aștepta de la găurile negre care fuzionează în spațiul gol – nimic neobișnuit în vid. Dar un semnal, cunoscut sub numele de GW190728, a părut diferit. Conform analizei echipei, modelul acelei unde gravitaționale ar putea conține dovezi ale unei interacțiuni cu materia întunecată. Cercetătorii subliniază că aceasta nu contează ca o descoperire confirmată – mai degrabă un indiciu promițător într-un caz cosmic rece.

„Știm că materia întunecată este în jurul nostru. Trebuie doar să fie suficient de densă pentru a-i vedea efectele,” spune Josu Aurrekoetxea, postdoc la Departamentul de Fizică al MIT. „Găurile negre oferă un mecanism de a spori această densitate, pe care acum o putem căuta analizând undele gravitaționale emise atunci când fuzionează.” Descoperirile apar în Physical Review Letters, co-autorizate de Aurrekoetxea, membrul LVK Soumen Roy de la Université Catholique de Louvain (UCLouvain) din Belgia, Rodrigo Vicente de la Universitatea din Amsterdam, Katy Clough de la Queen Mary University of London și Pedro Ferreira de la Universitatea Oxford.

Materia întunecată rămâne una dintre cele mai mari jenă ale fizicii – oamenii de știință îi deduc existența deoarece gravitația din jurul galaxiilor pare mai puternică decât poate explica materia vizibilă singură, iar observațiile lentilelor gravitaționale arată o masă suplimentară care curbează lumina. Estimările actuale sugerează că materia întunecată ar putea reprezenta mai mult de 85% din materia din univers, dar cercetătorii încă nu știu ce este de fapt. O formă propusă implică particule extrem de ușoare numite particule „scalare ușoare”, pe care teoriile sugerează că se pot comporta ca unde coordonate în apropierea găurilor negre. Oamenii de știință cred că atunci când aceste unde întâlnesc o gaură neagră care se rotește rapid, energia de rotație a găurii negre se poate transfera în undele de materie întunecată, crescând dramatic densitatea acestora – un proces cunoscut sub numele de superradiație, care a fost comparat cu transformarea smântânii în unt. (Nu suntem siguri că materia întunecată are gust de unt, dar analogia funcționează.) Dacă densitatea devine suficient de mare, materia întunecată ar putea altera undele gravitaționale produse atunci când găurile negre se ciocnesc.

Pentru a investiga acest lucru, cercetătorii au construit simulări detaliate ale fuziunilor găurilor negre în multe condiții diferite, variind factori precum masele și dimensiunile găurilor negre, cantitatea de materie întunecată din jur și densitatea acesteia. Folosind acele simulări, echipa a prezis cum ar apărea undele gravitaționale dacă găurile negre s-ar uni într-un mediu dens de materie întunecată, mai degrabă decât în vid, și a ținut cont de modul în care acele unde s-ar schimba pe măsură ce călătoresc milioane de ani-lumină până pe Pământ. Comparând predicțiile lor cu observațiile reale ale LVK, GW190728 a fost singurul eveniment din 28 care a arătat o