Тёмная материя, самый знаменитый невидимый гость Вселенной, как полагают, составляет большую часть материи в космосе — но никто не может её увидеть, потрогать или заставить ответить на приглашение. В отличие от обычной материи, она отказывается взаимодействовать со светом или электромагнитными силами, оставляя гравитацию единственным известным способом обнаружить её присутствие. Теперь исследователи считают, что сталкивающиеся чёрные дыры могут наконец дать этой неуловимой субстанции повод проявить себя.

Физики из Массачусетского технологического института и нескольких европейских учреждений разработали метод обнаружения возможных сигналов тёмной материи, скрытых внутри гравитационных волн — тех ряби в пространстве-времени, которые возникают, когда массивные объекты, такие как чёрные дыры, спирально сближаются и сливаются. Если эти чёрные дыры проходят через плотные облака тёмной материи перед столкновением, результирующие гравитационные волны могут нести тонкие следы этого взаимодействия, как космический отпечаток руки на окне. Команда проверила свой подход, используя общедоступные данные от LIGO-Virgo-KAGRA (LVK), международной сети обсерваторий гравитационных волн, которая отслеживает слияния чёрных дыр и другие далёкие космические события.

Исследователи проанализировали сигналы от первых трёх наблюдательных кампаний LVK, сосредоточившись на 28 самых чётких событиях гравитационных волн, обнаруженных на сегодняшний день. Для 27 из этих событий сигналы соответствовали тому, что учёные ожидают от слияния чёрных дыр в пустом пространстве — обычное дело в вакууме. Но один сигнал, известный как GW190728, оказался другим. Согласно анализу команды, структура этой гравитационной волны может содержать свидетельства взаимодействия с тёмной материей. Исследователи подчёркивают, что это не считается подтверждённым открытием — скорее, многообещающая зацепка в космическом холодном деле.

«Мы знаем, что тёмная материя вокруг нас. Она просто должна быть достаточно плотной, чтобы мы могли увидеть её эффекты», — говорит Хосу Ауррекоечеа, постдок на физическом факультете MIT. «Чёрные дыры предоставляют механизм для увеличения этой плотности, который мы теперь можем искать, анализируя гравитационные волны, испускаемые при их слиянии». Результаты опубликованы в Physical Review Letters, соавторами выступили Ауррекоечеа, член LVK Сумен Рой из Католического университета Лувена (UCLouvain) в Бельгии, Родриго Висенте из Амстердамского университета, Кэти Клаф из Лондонского университета королевы Марии и Педро Феррейра из Оксфордского университета.

Тёмная материя остаётся одним из самых больших смущений физики — учёные делают вывод о её существовании, потому что гравитация вокруг галактик сильнее, чем может объяснить только видимая материя, а наблюдения гравитационного линзирования показывают дополнительную массу, искривляющую свет. Текущие оценки предполагают, что тёмная материя может составлять более 85 процентов материи во Вселенной, но исследователи до сих пор не знают, что это такое на самом деле. Одна из предложенных форм включает чрезвычайно лёгкие частицы, называемые «лёгкими скалярными» частицами, которые, согласно теориям, могут вести себя как скоординированные волны вблизи чёрных дыр. Учёные считают, что когда эти волны встречают быстро вращающуюся чёрную дыру, её вращательная энергия может передаваться волнам тёмной материи, резко увеличивая их плотность — процесс, известный как суперрадиация, который сравнивают со взбиванием сливок в масло. (Мы не уверены, что тёмная материя на вкус как масло, но аналогия работает.) Если плотность становится достаточно высокой, тёмная материя может изменить гравитационные волны, возникающие при столкновении чёрных дыр.

Чтобы исследовать это, команда построила детальные симуляции слияний чёрных дыр при многих различных условиях, варьируя такие факторы, как массы и размеры чёрных дыр, количество окружающей тёмной материи и её плотность. Используя эти симуляции, команда предсказала, как будут выглядеть гравитационные волны, если чёрные дыры сливаются внутри плотной среды тёмной материи, а не в вакууме, и учла, как эти волны изменятся, путешествуя через миллионы световых лет к Земле. Сравнивая свои предсказания с реальными наблюдениями LVK, GW190728 оказалось единственным событием из 28, которое показало признаки, согласующиеся с присутствием тёмной материи.