Mörk materia, universums mest kända osynliga inneboende, tros utgöra det mesta av materien i kosmos – men ingen kan se den, röra den eller få den att svara på inbjudningar. Till skillnad från vanlig materia vägrar den att interagera med ljus eller elektromagnetiska krafter, vilket lämnar gravitationen som enda kända sättet att upptäcka dess närvaro. Nu tror forskare att kolliderande svarta hål äntligen kan ge denna svårfångade substans en anledning att visa sig.

Fysiker vid MIT och flera europeiska institutioner har utvecklat en metod för att upptäcka möjliga signaler från mörk materia gömda i gravitationsvågor – de krusningar i rumtiden som skapas när massiva objekt som svarta hål spiraliserar in i varandra och smälter samman. Om dessa svarta hål färdas genom täta moln av mörk materia innan de kolliderar, kan de resulterande gravitationsvågorna bära subtila spår av den interaktionen, som ett kosmiskt handavtryck på ett fönster. Teamet testade sin metod med hjälp av offentligt tillgänglig data från LIGO-Virgo-KAGRA (LVK), det internationella nätverket av gravitationsvågsobservatorier som övervakar sammanslagningar av svarta hål och andra avlägsna kosmiska händelser.

Forskarna analyserade signaler från LVK:s första tre observationsomgångar och fokuserade på 28 av de tydligaste gravitationsvågshändelserna som hittills upptäckts. För 27 av dessa händelser matchade signalerna vad forskarna skulle förvänta sig från svarta hål som smälter samman i tom rymd – business as usual i vakuumet. Men en signal, känd som GW190728, verkade annorlunda. Enligt teamets analys kan mönstret i den gravitationsvågen innehålla bevis på en interaktion med mörk materia. Forskarna betonar att detta inte räknas som en bekräftad upptäckt – mer som en lovande ledtråd i ett kosmiskt cold case.

"Vi vet att mörk materia finns omkring oss. Den måste bara vara tillräckligt tät för att vi ska kunna se dess effekter," säger Josu Aurrekoetxea, postdoktor vid MIT:s fysikavdelning. "Svarta hål ger en mekanism för att förstärka denna täthet, vilket vi nu kan söka efter genom att analysera gravitationsvågorna som sänds ut när de smälter samman." Resultaten publiceras i Physical Review Letters, medförfattade av Aurrekoetxea, LVK-medlemmen Soumen Roy från Université Catholique de Louvain (UCLouvain) i Belgien, Rodrigo Vicente från University of Amsterdam, Katy Clough från Queen Mary University of London och Pedro Ferreira från Oxford University.

Mörk materia är fortfarande en av fysikens största pinsamheter – forskare sluter sig till dess existens eftersom gravitationen runt galaxer verkar starkare än vad synlig materia ensam kan förklara, och observationer av gravitationslinsning visar en extra massa som böjer ljus. Nuvarande uppskattningar tyder på att mörk materia kan utgöra mer än 85 procent av materien i universum, men forskarna vet fortfarande inte vad den faktiskt är. En föreslagen form involverar extremt lätta partiklar som kallas "lätta skalära" partiklar, vilka teorier föreslår kan bete sig som koordinerade vågor nära svarta hål. Forskare tror att när dessa vågor möter ett snabbt snurrande svart hål, kan det svarta hålets rotationsenergi överföras till den mörka materiens vågor, vilket dramatiskt ökar deras täthet – en process känd som superradians, som har jämförts med att vispa grädde till smör. (Vi är inte säkra på att mörk materia smakar smör, men analogin håller.) Om tätheten blir tillräckligt hög kan den mörka materien förändra gravitationsvågorna som produceras när svarta hål kolliderar.

För att undersöka detta byggde forskarna detaljerade simuleringar av sammanslagningar av svarta hål under många olika förhållanden, med varierande faktorer som massorna och storlekarna på de svarta hålen, mängden omgivande mörk materia och dess täthet. Med hjälp av dessa simuleringar förutspådde teamet hur gravitationsvågor skulle se ut om svarta hål smälte samman i en tät mörk materia-miljö snarare än i ett vakuum, och tog hänsyn till hur dessa vågor skulle förändras när de färdades över miljontals ljusår till jorden. Genom att jämföra sina förutsägelser med faktiska LVK-observationer var GW190728 den enda händelsen av 28 som visade en