Гравитационное излучение черных дыр поможет найти ультралегкие частицы темной материи

Физики-теоретики из Нидерландов и Германии предложили искать аксионоподобные легкие бозоны с помощью гравитационного излучения от двойных систем, сливающихся черных дыр. Для этого ученые показали, что облако частиц, которое образуется за счет сверхизлучения черных дыр, может испытывать резонансные переходы и модифицировать гравитационный сигнал. Наземные детекторы такие тонкие детали увидеть не могут, однако космический детектор LISA, который планируют запустить в середине 30-х годов, вполне может их ухватить. Статья опубликована в Physical Review D, кратко о ней сообщает Physics, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

Как правило, когда физики говорят о темной материи, они подразумевают вимпы (WIMP) — слабо взаимодействующие массивные частицы. Поскольку такие частицы не участвуют в электромагнитном взаимодействии, увидеть их с помощью обычных телескопов нельзя (именно поэтому материя, состоящая из них, называется «темной»). Вимпы возникают в большом числе теоретических моделей — например, в суперсимметричных теориях, — которые предсказывают, что масса гипотетических частиц составляет не меньше десяти масс протона. К сожалению, увидеть вимпы на практике не смогли даже самые чувствительные детекторы. Поэтому сейчас физики постепенно переключаются на альтернативные теории темной материи.

В частности, некоторые из этих моделей утверждают, что темная материя состоит не из тяжелых, а из невероятно легких бозонов, масса которых не превышает 10⁻¹⁹ масс протона. Как и вимпы, такие частицы очень слабо взаимодействуют с частицами Стандартной модели, однако проявляют себя через гравитационные эффекты — гравитационное линзирование и кривые вращение галактик. Самый известный пример легкого бозона — это аксион, предложенный в 1977 году Роберто Печчеи и Хелен Квинн. Вообще говоря, изначально аксион вводился в Стандартную модель, чтобы «очистить» ее от проблемы сохранения CP-инвариантности в сильных взаимодействиях, однако на роль частицы темной материи он тоже хорошо подходит. Кроме того, аксионоподобные легкие частицы возникают в теории струн и других альтернативных теориях. К сожалению, зарегистрировать аксионы с помощью наземных детекторов очень сложно, и пока ученые смогли проверить только узкий диапазон масс.

Физики-теоретики Даниэль Бауманн (Daniel Baumann), Хорн Шэн Чиа (Horng Sheng Chia) и Рафаэль Порто (Rafael Porto) предложили альтернативный способ детектирования легких аксионоподобных частиц. Для этого ученые заметили, что за счет сверхизлучения вокруг вращающихся черных дыр формируются облака сверхлегких скалярных частиц. Теоретически, такие облака могут исказить спектр гравитационных волн, которые испускают двойные системы сливающихся черных дыр. Сейчас ученые могут измерить этот спектр, хотя и очень грубо — следовательно, с помощью гравитационных волн можно косвенно подтвердить существование аксионов. К сожалению, до этого такую возможность никто не изучал.

Для начала, чтобы упростить задачу, физики исследовали, как облако скалярных частиц образуется вокруг «одинокой» черной дыры, скорость вращения которой превышает угловую фазовую скорость падающей волы. Придерживаясь стандартного взгляда на сверхизлучение, ученые приблизили уравнение движения бозонов уравнением Шрёдингера, нашли его собственные значения и соответствующие волновые функции, а затем рассчитали время жизни бозонного облака. Грубо говоря, физики рассматривали «гравитационный атом», ядром которому служила черная дыра, а электронами — аксионоподобные частицы. В результате исследователи получили, что время жизни облака пропорционально массе черной дыры и обратно пропорционально пятнадцатой степени «гравитационной постоянной тонкой структуры» — отношения гравитационного радиуса дыры и комптоновской длины волны легких бозонов. Это означает, что для черных дыр солнечной массы гравитационным излучением облака можно пренебречь, если «постоянная тонкой структуры» меньше 0,07 (облако слишком быстро распадается). Для более массивных черных дыр это ограничение немного слабее.

Затем ученые проверили, как изменятся квазистационарные состояния бозонного облака, если добавить к черной дыре соседку. Для этого они воспользовались теорией возмущений, считая, что соседка слабо искажает метрику первой черной дыры. Оказалось, что в таких «гравитационных молекулах» возникают резонансы, аналогичные резонансам Раби в обычных атомах. Для удобства физики рассмотрели два случая резонанса — совпадение частоты вращения облака со сверхтонким расщеплением его энергетических уровней или с разницей энергий обертонов. Первый случай ученые назвали сверхтонким резонансом, второй — боровским резонансом. Как бы то ни было, оба резонанса перемешивают растущие и затухающие моды и заставляют облако терять массу.

Наконец, исследователи оценили, как резонансы бозонного облака скажутся на спектре гравитационных волн, испускаемых двойной системой. Как и ожидалось, сигнал виден тем лучше, чем больше время жизни облака и чем острее пик резонанса. Если точнее, частота сигнала прямо пропорциональна седьмой степени «постоянной тонкой структуры» для сверхтонкого резонанса и третьей степени «постоянной» для боровского резонанса. На практике это означает, что наземные детекторы почувствовать сигнал не смогут. Тем не менее, ученые утверждают, что космический детектор LISA с плечом порядка 2,5 миллионов километров способен поймать сигнал от двойных систем с массой порядка десяти тысяч масс Солнца.

Авторы статьи подчеркивают, что их метод чувствует даже такие частицы, которые связаны с частицами Стандартной модели только гравитационным взаимодействием. Ни один другой эксперимент такие частицы почувствовать не может, хотя они являются идеальным кандидатом на роль темной материи. Тем не менее, ученые также замечают, что их анализ недостаточно точен, чтобы применять его на практике, и обещают улучшить предложенный метод в будущем.

Несмотря на то, Physical Review D опубликовал статью только на прошлой неделе, ученые выложили ее препринт еще в апреле прошлого года. Благодаря этому к моменту выхода ее уже успели процитировать 15 раз. Более того, некоторые цитирующие статьи были напечатаны в рецензируемых журналах намного раньше работы Баумана, Чиа и Порто.

В июне 2015 года физик из NASA Джереми Шниттман показал, что побочные продукты от столкновений частиц темной материи в окрестности черной дыры можно зарегистрировать с помощью гамма-телескопов. В феврале 2018 американские исследователи обнаружили, что нейтронные звезды могут разогреваться из-за падающей на них темной материи. Несмотря на то, что сейчас такое разогревание измерить нельзя, в будущем его может заметить инфракрасный телескоп «Джеймс Уэбб», который планируют запустить уже весной этого года. Кроме того, в прошлом году сразу несколько групп оценили вклад первичных черных дыр в массу темной материи с помощью эффекта гравитационного микролинзирования: первая группа использовала для этого сверхновые звезды, вторая — тусклые карликовые галактики.

В июле 2018 года физики-теоретики из Университета Брауна предложили искать аксионы с помощью прецессии спина электронов — ученые показали, что в присутствии аксионов сильное электрическое поле ведет себя аналогично магнитному и заставляет спины частиц поворачиваться. А в декабре исследователи из Германии обнаружили, что аксионы изменяют кулоновский потенциал и сдвигают энергию электронов в атоме водорода. Теоретически, такую сдвижку можно использовать для поиска аксионов, однако на практике это пока невозможно — чтобы заметить предсказанные учеными поправки, нужно уменьшить погрешность измерений по меньшей мере в сто тысяч раз.

Дмитрий Трунин