Физики поискали бозонные облака с помощью гравитационных обсерваторий

Физики, работающие в коллаборациях LIGO, Virgo и KAGRA попытались обнаружить бозонные облака, окружающие черные дыры, проанализировав данные, набранные гравитационной обсерваторией LIGO во время третьего сезона ее работы. Ученые не увидели сигнала этих объектов, но смогли установить ограничения на массу легких бозонов, из которых могут состоять облака. Поиск легких бозонов очень важен, потому что из них может состоять темная материя. Исследователи рассчитывают, что модернизация гравитационных обсерваторий и улучшение программного обеспечения, использующегося для анализа сигнала, помогут обнаружить легкие бозоны или установить более строгие ограничения на их массы. Препринт статьи выложен на сайт arXiv.org.

Гипотеза о существовании во Вселенной невидимой темной материи, в которой сосредоточено около 85 процентов массы всего вещества, хорошо объясняет многие астрономические наблюдения. К ним относятся распределение скоростей звезд в галактиках и галактик в скоплениях, спектр неоднородностей температуры космического микроволнового фона и скорость образования галактик при эволюции Вселенной.

Существуют различные предположения относительно природы частиц, из которых темная материя состоит, но в течение долгого времени самым популярным кандидатом оставались вимпы (WIMP, Weakly Interacting Massive Particle) с массой от нескольких до нескольких сот гигаэлектронвольт, которые не участвуют в электромагнитных и сильных взаимодействиях с частицами Стандартной модели. Проблема с этой гипотезой, однако, заключается в том, что физики до сих не смогли обнаружить вимпы ни в одном лабораторном эксперименте.

Это вынудило ученых рассматривать альтернативы вимпам на роль частиц темной материи. Некоторые из них гораздо тяжелее: к таким относятся конгломераты частиц Стандартной модели, называемые макросами, с массами до нескольких десятков килограмм, и первичные черные дыры, массы которых могут достигать сотен миллионов масс Солнца. А некоторые наоборот существенно легче — масса легких бозонов, типа дилатона и аксиона в некоторых моделях меньше, чем 10^-20 электронвольт.

Легкие бозоны очень слабо взаимодействуют с частицами Стандартной модели, а потому один из самых реалистичных способов их обнаружения — это регистрация гравитационного излучения, приходящего от черных дыр. Если легкие бозоны в природе существуют, то они рождаются из вакуума вблизи горизонта вращающейся черной дыры из-за эффекта, называемого сверхизлучением. Частицы, рождающиеся тем активнее, чем больше спин черной дыры, образуют вместе с ней гравитационный атом, математическое описание которого во многом похоже на описание атома в квантовой механике. Существенная разница заключается в том, что электрон является фермионом, и потому одно квантовое состояние в атоме может быть занято только одним электроном, тогда как гипотетических легких бозонов может быть в одном состоянии в гравитационном поле черной дыры сколько угодно. Это приводит к тому, что почти все частицы в бозонном облаке занимают состояния с наименьшей энергией, то есть происходит конденсация Бозе — Эйнштейна. Когда легкий бозон рождается, он забирает у черной дыры долю массы и спина, а потому сверхизлучение со временем прекращается, и новые частицы не образуются. Бозоны с одинаковыми или близкими энергиями в облаке вокруг черной дыры могут аннигилировать в гравитоны, из-за чего облако излучает почти монохроматические гравитационные волны, которые предположительно могут быть зарегистрированы гравитационными обсерваториями.

Ученые, работающие в американской коллаборации VIRGO, европейской Virgo и японской KAGRA, проанализировали данные, которые гравитационная обсерватория LIGO набрала за время третьего сезона работы, в попытке обнаружить в них сигнал излучения облаков легких бозонов. Данные набирались с 1 апреля 2019 года по 27 марта 2020 года с месячным перерывом в октябре 2019 года. Физики исследовали диапазон частот гравитационного излучения от 20 до 610 герц. Теоретически рассматриваются легкие бозоны разных спинов, но в данном исследовании ученые ограничились бесспиновыми частицами.

Физики сравнивали данные наблюдений с результатами моделирования гравитационного излучения популяции черных дыр с реалистичным распределением масс f(m) ∼ m^-2,3 в двух диапазонах: от 5 до 50 и от 5 до 100 масс Солнца (полное число черных дыр в Млечном пути составляет примерно 10⁸). Для черных дыр с такими массами за счет сверхизлучения должны рождаться бозоны с массами 10^-13—10^-12 электронвольт. Безразмерный спин черных дыр был распределен равномерно в диапазоне от 0,2 до 0,9. Возраст черных дыр и окружающих их облаков лежал в интервале от тысячи до ста миллионов лет.

Проанализировав данные, исследователи не обнаружили следа гравитационных волн от облаков легких бесспиновых частиц, но смогли установить ограничение на их массу. Физики расчитывают, что улучшения программного обеспечения, использовавшегося при анализе, модификация экспериментальных установок LIGO, Virgo и KAGRA, а также дальнейший набор данных позволят существенно расширить диапазон частот гравитационных волн, а также увеличить точность измерений, что позволит обнаружить бозонные облака или установить более строгие ограничения на массы составляющих их частиц.

Ранее мы рассказывали, как ученые поставили ограничение на массу легких бозонов, изучив фотографию тени сверхмассивной черной дыры в центре галактики M87, и анализируя радиоизлучение нейтронных звезд, также о предложении по регистрации этих частиц с помощью детектирования гравитационных волн от слияния пар черных дыр.

Андрей Фельдман