Bilim Adamları Kara Delikleri Dinleyerek Karanlık Maddeyi Tespit Etmenin Yeni Bir Yolunu Bulmuş Olabilir

Bilim insanları arıyor karanlık madde Hayal edebilecekleri neredeyse her yere baktılar: derin yer altı dedektörleri, güçlü parçacık çarpıştırıcıları, hassas teleskoplar ve evrenin haritaları. Ancak kozmik alemdeki maddenin çoğunu oluşturmasına rağmen karanlık madde sinir bozucu bir şekilde görünmez kaldı.

Artık araştırmacılar bunu aramanın çok farklı bir yolunu bulmuş olabileceklerini düşünüyor: dinleyerek kara delikler çarpışmak.

Yeni bir çalışma yayınlandı Fiziksel İnceleme Mektupları Yerçekimi dalgalarının (kara delikler birleştiğinde uzay-zamanda oluşan küçük dalgalanmalar), kara deliklerin gizemli maddenin yoğun konsantrasyonları içinde çarpışması durumunda karanlık maddenin ince parmak izlerini taşıyabileceğini öne sürüyor.

Daha da ilginci, araştırmacılar yöntemlerini gerçek kütleçekim dalgası gözlemlerine uyguladıklarında, daha önce kaydedilen bir olayın, tam olarak bu tür bir gizli ortam için geçici bir tercih gösterdiği ortaya çıktı.

Sonuçlar karanlık maddenin keşfi anlamına gelmiyor. Araştırmacılar alternatif açıklamaların mümkün olduğunu ve ek gözlemlerin gerekli olacağını defalarca vurguluyorlar. Yine de çalışma, modern fiziğin en uzun süredir devam eden gizemlerinden birinde yeni bir gözlemsel cephe açıyor.

Ortak yazar ve MIT doktora sonrası araştırma görevlisi Dr. Josu Aurrekoetxea, "Karanlık maddenin etrafımızda olduğunu biliyoruz. Etkilerini görebilmemiz için yeterince yoğun olması gerekiyor" dedi. basın bülteni. "Kara delikler bu yoğunluğu artıracak bir mekanizma sağlıyor ve artık birleştiklerinde yayılan kütleçekim dalgalarını analiz ederek bunu arayabiliyoruz."

Karanlık maddenin evrendeki tüm maddenin kabaca yüzde 85'ini oluşturduğuna inanılıyor, ancak hiçbir zaman doğrudan tespit edilemedi. Bilim insanları bunun varlığını çıkarıyor çünkü galaksiler çok hızlı dönüyor ve büyük ölçekli kozmik yapılar sanki teleskopların görebileceğinden çok daha fazla kütle varmış gibi davranıyor.

Sıradan maddenin aksine, karanlık madde neredeyse yalnızca yerçekimi yoluyla etkileşime giriyor gibi görünüyor, bu da onu geleneksel teknikler kullanılarak tespit edilmesini olağanüstü derecede zorlaştırıyor.

Bu zorluk araştırmacıları farklı bir soru sormaya motive etti. Görmeye çalışmak yerine karanlık madde Bilim insanları bunun başka bir şey üzerindeki etkisini doğrudan tespit edebilir mi?

Araştırmacıların cevabı yerçekimi dalgalarına odaklandı. Bunlar uzay-zamandaki bozukluklar ilk kez 2015 yılında doğrudan tespit edildi. Lazer İnterferometre Yerçekimi Dalgası Gözlemevi (LIGO). O zamandan bu yana, uluslararası LIGO-Virgo-KAGRA işbirliği düzinelerce kara delik birleşmesini katalogladı ve dönüştürdü. yerçekimi dalgası astronomisi astrofiziğin en hızlı gelişen alanlarından biri.

Geleneksel olarak bu sinyaller, kara deliklerin olağanüstü derecede temiz sondaları olarak ele alınır. Ancak bu son çalışmada araştırmacılar, kara deliklerin birleşmesiyle ilgili ortamın önceden düşünülenden daha önemli olabileceğini savunuyorlar.

Çalışma, ultra hafif skaler parçacıklar adı verilen varsayımsal karanlık madde adaylarının bir sınıfına odaklanıyor. Bunlar dünyanın birçok uzantısında doğal olarak görülen egzotik alanları temsil ediyor. Standart Model Parçacık fiziğinin ve uzun süredir uygulanabilir olduğu düşünülen karanlık madde adaylar.

Doğru koşullar altında, ultra hafif skaler parçacıklar dönen kara deliklerin etrafında birikerek son derece yoğun bulutlar oluşturabilir. Üstelik bu bulutların bazıları şaşırtıcı derecede yoğunlaşabilir.

Araştırmacılara göre, bir süreç adı veriliyor üstünlük Hızla dönen kara deliklerin, dönme enerjisini çevreleyen ultra hafif parçacıklara aktarmasına ve onları önemli ölçüde güçlendirmesine olanak tanıyabilir.

Bazı senaryolarda, bu karanlık madde yapıları galaksimizdeki ortalama karanlık madde yoğunluğundan 30 kat daha fazla yoğunluklara ulaşabilir. Eğer bir çift kara delik bu ortamlardan birinde sarmal bir şekilde bir araya gelirse, çevredeki skaler alan onların yörünge hareketini biraz değiştirecektir.

Bu değişiklik hafif ama ölçülebilir olacaktır.

Boş uzayda birleşen iki kara delikten beklenen yerçekimsel dalga "cıvıltısını" üretmek yerine, dalgalar zamanlamada ve faz evriminde küçük bozulmalar gösterecek ve esasen farklı bir ritimle ulaşacaktır.

Bu fikri test etmek için araştırmacılar, kara delik birleşmelerinin skaler karanlık madde ortamlarında nasıl gömülü görünmesi gerektiğini tahmin edebilen yeni bir yarı analitik dalga biçimi modeli geliştirdiler. Daha sonra bu tahminleri, yoğun skaler alanlar içindeki kara delik birleşmelerini modelleyen tam sayısal göreceli simülasyonlar kullanarak doğruladılar.

Simülasyonlar, karanlık madde benzeri skaler yapıların şiddetli ilham sürecinden daha önceki birçok modelin önerdiğinden daha iyi kurtulabileceğini gösterdi.

Önceki düşünce genellikle eşit kütleli kara delik ikili dosyalarının birleşmeden önce çevredeki karanlık madde yapılarını yok edeceğini varsayıyordu. Ancak yeni simülasyonlar bazen bunun tersinin de olabileceğini öne sürüyor. Bu yapıların bazı kısımları varlığını sürdürebilir ve potansiyel olarak yerçekimsel dalgalarda gözlemlenebilir izler bırakabilir.

Modelleriyle donanmış araştırmacılar gerçeğe döndü.

Ekip, LIGO, Virgo ve KAGRA tarafından toplanan halka açık GWTC-3 kataloğundan 28 yerçekimi dalgası olayını analiz etti. Olayların çoğu tam olarak beklendiği gibi gerçekleşti.

Yirmi yedi tanesi, boşlukta birleşen kara deliklerle tutarlı görünüyordu. Ancak bir olay (2019'da tespit edilen GW190728) öne çıktı.

Üstün parlaklığa bağlı varsayımlar altında analiz edildiğinde sinyal, araştırmacıların birleşmeyi çevreleyen skaler bir ortam için geçici kanıt olarak tanımladıkları şeyi gösterdi. İstatistiksel tercih yaklaşık ln(B) ≈ 3,5'lik bir Bayes faktörüne ulaştı; bu dikkat çekmeye yetiyordu ancak bir keşif iddiası için gereken standardın oldukça altındaydı.

Eğer bu yorum sonuçta doğru çıkarsa, veriler kütlesi yaklaşık 10^-12 elektron volt olan ultra hafif bir skaler parçacığa işaret edecektir.

Bu, onu teorik karanlık madde araştırmalarında zaten tartışılan bir alana yerleştirir; ancak yazarlar mevcut kara delik dönüş ölçümlerinin, o parametre uzayının bazı kısımlarında bir miktar gerginlik yarattığını kabul etse de.

Önemli olan, araştırmacıların daha sıradan açıklamaları göz ardı edemeyeceklerini vurgulamaları.

Mevcut dalga biçimi modellerindeki çevresel etkiler, parametre belirsizlikleri veya kısıtlamalar, gözlemlenen davranışların bazılarını potansiyel olarak taklit edebilir. Araştırmacılar, yörüngesel eksantriklik ve görüş hattındaki hızlanma gibi olasılıkları dikkatle incelediler ve bu etkilerin sinyali açıkladığına dair güçlü bir kanıt bulamadılar, ancak doğrulamanın gelecekte gözlem gerektireceği konusunda uyardılar.

Dr. Aurrekoetxea, "Bunun istatistiksel önemi, karanlık maddenin tespit edildiğini iddia edecek kadar yüksek değil ve bağımsız gruplar tarafından daha fazla kontrol yapılması gerekiyor" dedi. "Vurgulamanın önemli olduğunu düşündüğümüz şey, bizimki gibi dalga biçimi modelleri olmadan, karanlık madde ortamlarındaki kara delik birleşmelerini tespit edebileceğimiz, ancak bunları sistematik olarak boşlukta meydana gelmiş olarak sınıflandırabileceğimizdir."

Bununla birlikte, araştırmacının teorisine ilişkin daha fazla kontrol, beklenenden daha erken gelebilir.

Mevcut yerçekimsel dalga gözlemevleri veri toplamaya devam ediyor ve yeni nesil araçlar Einstein Teleskobu ve Cosmic Explorer'ın birleşmeleri çok daha yüksek hassasiyetle ve daha uzun sürelerde tespit etmesi bekleniyor. Bu gelişme, küçük çevresel izlerin sıradan kara delik fiziğinden ayrıştırılmasını kolaylaştırabilir.

Şimdilik sonuç ilgi çekici bir ipucu olmaya devam ediyor, ancak henüz kanıt değil.

Bununla birlikte, karanlık maddenin ışık, parçacıklar ve laboratuvar deneyleri yoluyla anlaşılması zor olduğu onlarca yıldan sonra, araştırmacılar evrenin kayıp kütlesinin kendisini tamamen farklı bir şekilde duyurma olasılığını keşfetmeye başlıyorlar. Görülerek değil. Ama uzay-zamanın sesini değiştirerek.

Belçika'daki Kozmoloji Merkezi'nden ortak yazar ve fizikçi Dr. Soumen Roy, "LVK dedektörleri önümüzdeki yıllarda veri toplamaya devam ettikçe, artık kara deliklerin etrafındaki karanlık maddeyi keşfetme potansiyeline sahibiz" dedi. “Yerçekimi dalgalarını kullanarak yeni fizik araştırmak için heyecan verici bir zaman.”

Tim McMillan emekli bir kolluk kuvveti yöneticisi, araştırmacı muhabir ve The Debrief'in kurucu ortağıdır. Yazıları genellikle savunma, ulusal güvenlik, İstihbarat Topluluğu ve psikoloji ile ilgili konulara odaklanmaktadır. Tim'i Twitter'da takip edebilirsiniz: @LtTimMcMillan. Tim'e e-posta yoluyla ulaşılabilir: [email protected] veya şifreli e-posta yoluyla: [email protected]