Obserwacja „wstrząsu” łączących się czarnych dziur pomoże naukowcom dowiedzieć się, czy istnieją aksjony, ultralekkie cząsteczki ciemnej materii lub inni kandydaci do roli „szóstej siły natury”. Do takiego wniosku doszli astronomowie, którzy opublikowali artykuł w czasopiśmie Physical Review D.
Naukowcy przez długi czas wierzyli, że wszechświat składa się z materii, którą widzimy i która stanowi podstawę wszystkich gwiazd, czarnych dziur, mgławic, gromad pyłu i planet. Jednak pierwsze obserwacje prędkości ruchu gwiazd w pobliskich galaktykach wykazały, że gwiazdy na ich obrzeżach poruszają się w nich z niewiarygodnie dużą prędkością, która była około 10 razy większa niż wykazały obliczenia oparte na masach wszystkich gwiazd w nich.
Przyczyną tego, zdaniem dzisiejszych naukowców, była tak zwana ciemna materia - tajemnicza substancja, która stanowi około 75% masy materii we Wszechświecie. Zwykle każda galaktyka ma około 8-10 razy więcej ciemnej materii niż jej widzialny kuzyn, a ta ciemna materia utrzymuje gwiazdy w miejscu i zapobiega ich rozpraszaniu.
Dziś prawie wszyscy naukowcy są przekonani o istnieniu ciemnej materii, ale jej właściwości, oprócz oczywistego wpływu grawitacji na galaktyki i gromady galaktyk, pozostają tajemnicą i przedmiotem kontrowersji wśród astrofizyków i kosmologów. Przez długi czas naukowcy zakładali, że składa się on z superciężkich i „zimnych” cząstek - „mięczaków”, które nie manifestują się w żaden sposób, z wyjątkiem przyciągania widocznych skupisk materii.
Nieudane poszukiwania „WIMP-ów” w ciągu ostatnich dwudziestu lat doprowadziły wielu teoretyków do przekonania, że ciemna materia może w rzeczywistości być „lekka i puszysta” i składać się z tak zwanych aksionów - ultralekkich cząstek o masie i właściwościach podobnych do neutrin. Ich pierwsze poszukiwania również zakończyły się niepowodzeniem, co czyni tę niewidzialną substancję jeszcze bardziej tajemniczą.
Baumann i jego koledzy sformułowali wysoce niekonwencjonalny sposób znajdowania tych cząstek, badając to, co dzieje się w pobliżu pary obracających się czarnych dziur przygotowujących się do połączenia się ze sobą.
Jak zauważyli naukowcy, ich ruch w szczególny sposób wpłynie na strukturę otaczającej czasoprzestrzeni, przyczyniając się do pojawienia się aksionów i innych ultralekkich cząstek oraz zapobiegając ich wzajemnej anihilacji i samozniszczeniu.
W rezultacie czarne dziury zostaną otoczone rodzajem „atmosfery” lub „chmury” aksionów, jak naukowcy nazywają tę strukturę. Będzie zachowywał się jak sztuczny atom, spowalniając ich ruch, emitując fale grawitacyjne iw szczególny sposób wpływając na proces ich łączenia.
Film promocyjny:
Ten wpływ z kolei będzie szczególnie wyraźny podczas tzw. „Roztrzęsienia” - szczególnej fazy życia nowo narodzonej czarnej dziury, kiedy zrzuca ona nadmiar energii rotacyjnej w postaci fal grawitacyjnych. W tej chwili nie wygląda jak idealna kula, ale jak wydłużona lub rozciągnięta elipsa, która stopniowo uzyskuje „normalny” kształt.
Jak pokazują obliczenia Baumanna i jego współpracowników, jeśli istnieją aksjony lub inne cząstki światła, to ich obłok zniknie nagle po połączeniu i na początku "jittera", osłabi fale grawitacyjne generowane przez ten proces i wprowadzi do nich unikalne zniekształcenia.
Czy można znaleźć takie wahania? Naziemne teleskopy grawitacyjne, takie jak LIGO i ViRGO, według astrofizyków raczej nie będą w stanie rozwiązać tego problemu, ponieważ wymagałoby to znalezienia pary czarnych dziur w Drodze Mlecznej, bardzo blisko połączenia. Jest to mało prawdopodobne.
Z drugiej strony obserwatorium orbitalne LISA, zdolne do śledzenia supermasywnych czarnych dziur w innych galaktykach, powinno być w stanie poradzić sobie z tym zadaniem i znaleźć ślady wszystkich możliwych cząstek światła.
Jeśli ten pomysł się usprawiedliwi, wówczas takie pary czarnych dziur, jak sądzą naukowcy, staną się dla nas rodzajem „zderzaczy grawitacyjnych”, zdolnych do poszukiwania „nowej fizyki” poza Modelem Standardowym.