Ένα πρωτοποριακό μοντέλο που προβλέπει πώς μεταβάλλεται η εκπομπή βαρυτικών κυμάτων όταν ένα διπλό σύστημα μαύρων τρυπών κινείται μέσα σε σκοτεινή ύλη ανέπτυξαν πρόσφατα οι φυσικοί. Τα βαρυτικά κύματα είναι ρυτιδώσεις στον χωροχρόνο που δημιουργούνται από συμπαγή αντικείμενα τα οποία περιδινούνται μαζί σε έναν κοσμικό χορό που καταλήγει σε μια βίαιη σύγκρουση.
Στην παρουσία σκοτεινής ύλης, αυτά τα κύματα ενδέχεται να φέρουν ένα ξεχωριστό αποτύπωμα του περιβάλλοντός τους. Παρά το γεγονός ότι αποτελεί πάνω από το 80% του συνόλου της ύλης, η σκοτεινή ύλη δεν αλληλεπιδρά με την ηλεκτρομαγνητική δύναμη και η ύπαρξή της έχει διαπιστωθεί μόνο μέσω των βαρυτικών της αλληλεπιδράσεων, αφήνοντας την ακριβή της φύση μυστήριο. Τα βαρυτικά κύματα, επομένως, προσφέρουν έναν νέο τρόπο για τη διερεύνηση των χαρακτηριστικών της.
Το φαινόμενο της υπερακτινοβολίας
Ένας προτεινόμενος υποψήφιος για τη σκοτεινή ύλη είναι το ελαφρύ βαθμωτό μποζόνιο (light scalar boson), ένα εξαιρετικά μικρό σωματίδιο, πολλές τάξεις μεγέθους ελαφρύτερο από το ηλεκτρόνιο, το οποίο μπορεί να εμφανίσει συνεκτική κυματική συμπεριφορά. Παρουσία περιστρεφόμενων μαύρων τρυπών, μια διαδικασία που ονομάζεται «υπερακτινοβολία» μπορεί να μεταφέρει περιστροφική ενέργεια στο γύρω πεδίο των υπερελαφρών μποζονίων, ενισχύοντας τη σκοτεινή ύλη σε ένα πυκνό νέφος γύρω από τη μαύρη τρύπα. Αυτά τα νέφη μπορούν να τροποποιήσουν τη δυναμική των διπλών συστημάτων μαύρων τρυπών, κωδικοποιώντας παρατηρήσιμα αποτυπώματα στα βαρυτικά κύματα που εκπέμπουν.
Για να κατανοήσει τη μορφή αυτών των αποτυπωμάτων, μια διεθνής ομάδα ερευνητών ανέπτυξε ένα μοντέλο για την εκπομπή βαρυτικών κυμάτων από ένα διπλό σύστημα μαύρων τρυπών που κινείται μέσα σε σκοτεινή ύλη. Η ανάπτυξη του μοντέλου απαιτούσε σχολαστικές προσομοιώσεις αριθμητικής σχετικότητας, με τους επιστήμονες να αφιερώνουν αρκετά χρόνια για να διασφαλίσουν ότι τα αποτελέσματα οφείλονταν στην πραγματική επίδραση της σκοτεινής ύλης και όχι σε σφάλματα του κώδικα.
Δοκιμές με πραγματικά δεδομένα
Οι περισσότερες εργασίες στον τομέα αυτό επικεντρώνονται σε παρατηρήσεις με μελλοντικούς διαστημικούς ανιχνευτές, όπως ο Laser Interferometer Space Antenna (LISA). Ωστόσο, η ομάδα θέλησε να εξετάσει τι μπορεί να μάθει χρησιμοποιώντας τα ήδη διαθέσιμα δεδομένα από το δίκτυο επίγειων ανιχνευτών LVK (LIGO-Virgo-KAGRA).
Αναζητώντας αυτά τα αποτυπώματα σκοτεινής ύλης, εφάρμοσαν το μοντέλο τους σε 28 δημόσια διαθέσιμα σήματα που παρατηρήθηκαν από την κοινοπραξία LVK. Για κάθε γεγονός, η ομάδα συνέκρινε το σήμα με το δικό τους προγνωστικό μοντέλο κυματομορφής και με την τυπική κυματομορφή για μαύρες τρύπες που συγχωνεύονται στο κενό.
Μετά από αυστηρές δοκιμές, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι 27 από τα 28 γεγονότα ήταν απολύτως συμβατά με σήματα βαρυτικών κυμάτων από μαύρες τρύπες που εξελίσσονται στον κενό χώρο.
Ωστόσο, ένα γεγονός, το «GW190728», έδειξε μια ελαφριά προτίμηση για το μοντέλο της σκοτεινής ύλης, υποδεικνύοντας ότι το σήμα του περιέχει ιδιότητες που συνάδουν με τις διακυμάνσεις που προκαλεί η παρουσία της. Παρόλα αυτά, η στατιστική τεκμηρίωση δεν είναι ακόμη αρκετά ισχυρή για να επιτρέψει μια σίγουρη ανακοίνωση ανίχνευσης.
Προοπτικές για το μέλλον
Αν και μόνο ένα γεγονός έδειξε προτίμηση για το νέο μοντέλο, οι ερευνητές απέδειξαν μια καινοτόμο μέθοδο για την ανίχνευση και τον χαρακτηρισμό της σκοτεινής ύλης μέσω των σημάτων των βαρυτικών κυμάτων.
Το επόμενο βήμα για τους επιστήμονες είναι να επεκτείνουν την ανάλυσή τους στον τέταρτο κύκλο παρατηρήσεων του LVK. Εάν μπορέσουν να εκτιμήσουν τον αριθμό και τους τύπους των γεγονότων που αναμένεται να φέρουν αποτυπώματα σκοτεινής ύλης, θα είναι σε θέση να συνδυάσουν πολλαπλά σήματα για να ελέγξουν την υπόθεσή τους με πολύ πιο ισχυρό τρόπο, εκμεταλλευόμενοι το τεράστιο δυναμικό των βαρυτικών κυμάτων.