Obserwacje łączenia się galaktyk karłowatych z orbitującym obserwatorium grawitacyjnym LISA pomogą astronomom zrozumieć, czy istnieje ciężka ciemna materia i jakie ma właściwości. Artykuł fizyków teoretycznych został opublikowany w czasopismach Astrophysical.
„Pokazaliśmy, że częstotliwość łączenia się galaktyk karłowatych z czarnymi dziurami w ich centrach będzie bezpośrednio zależeć od tego, ile ciemnej materii jest w nich obecna. Dzisiejsi teoretycy uważają, że powinno być go dużo, dlatego od dawna podejrzewaliśmy, że wpłynie to na ich właściwości kosmologiczne”- powiedział Lucio Mayer z Uniwersytetu w Zurychu (Szwajcaria).
Nici wszechświata
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. Ale pierwsze obserwacje prędkości gwiazd w pobliskich galaktykach pokazały, że gwiazdy na obrzeżach poruszają się z niemożliwie dużą prędkością, około dziesięciu razy większą niż pokazały obliczenia oparte na masach wszystkich gwiazd.
Przyczyną tego, zdaniem dzisiejszych naukowców, była tak zwana ciemna materia - tajemnicza substancja, która stanowi około 75% masy materii we Wszechświecie. Zazwyczaj każda galaktyka ma około ośmiu do dziesięciu razy więcej ciemnej materii niż jej widzialny kuzyn, a ta ciemna materia utrzymuje gwiazdy na miejscu i zapobiega ich rozpraszaniu.
Nieudane poszukiwania śladów ciemnej materii na Ziemi, jak zauważa Meyer, powodują, że wielu naukowców wątpi, że istnieje ona w zasadzie lub że składa się z superciężkich i „zimnych” cząstek - „WIMP”, które nie manifestują się w żaden inny sposób niż przyciąganie widocznych skupisk materia.
Mayer i jego koledzy zastanawiali się, gdzie i jak można znaleźć najbardziej „wiarygodne” ślady tej postaci ciemnej materii. Zwrócili uwagę na obiekty, które według konwencjonalnych teorii kosmologicznych powinny składać się prawie wyłącznie z tej substancji - najciemniejszych galaktyk karłowatych.
Film promocyjny:
Przestrzeń „mikser”
Naukowcy stworzyli komputerowy model takich „megamiast gwiazd”, który pozwolił im dociskać je do siebie nawzajem i innych obiektów, a także zmieniać proporcje masy widzialnej i ciemnej materii, a także ich rozmieszczenie w galaktykach.
Obliczenia te nieoczekiwanie pokazały, że zachowanie centralnych czarnych dziur w takich galaktykach, a także częstotliwość ich łączenia, będą silnie zależeć od obecności ciemnej materii i jednej z jej specyficznych właściwości - jak bardzo jej gęstość różni się na obrzeżach i centrach tych karłów.
Okazało się, że czarne dziury mogą zbliżać się do siebie, tworzyć bliskie pary i łączyć się tylko w tych przypadkach, gdy ciemna materia jest rozłożona wyjątkowo nierównomiernie w takich galaktykach. W związku z tym obserwacja częstotliwości ich łączenia może nam powiedzieć, jak ciemna materia jest rozmieszczona we Wszechświecie i czy w zasadzie istnieje.
Jak obliczyć takie „kosmiczne wypadki”? Supermasywne czarne dziury krążące w niewielkiej odległości od siebie będą emitować fale grawitacyjne o bardzo niskiej częstotliwości. Będą niewidoczne dla naziemnych teleskopów, ale dobrze widoczne dla orbitującego obserwatorium grawitacyjnego LISA, którego budowa rozpocznie się w drugiej połowie 2020 roku.
Jest to zestaw trzech satelitów, które muszą śledzić fluktuacje w czasoprzestrzeni, obserwując, jak fale grawitacyjne odchylają ścieżkę wiązek laserowych łączących wszystkie trzy urządzenia LISA.
Meyer i jego koledzy mają nadzieję, że obserwacje LISA pomogą naukowcom potwierdzić istnienie ciemnej materii i które teorie opisujące jej strukturę przybliżą się do rozwiązania tajemnic życia we wszechświecie.