Разработана новая теория, объединяющая в единое целое черные дыры, темную материю и гравитационные волны - «Наука и технологии»

За прошедшие несколько лет в физике было сделано множество важных научных открытий. В 2012 году физики Европейской организации ядерных исследований CERN обнаружили бозон Хиггса, поиски которого велись на протяжении 50 лет, в прошлом году впервые были зарегистрированы гравитационные волны, существование которых было обосновано с теоретической точки зрения более 100 лет назад. А в этом году ученые нацелились на получение первого прямого снимка черной дыры. И группа ученых из области теоретической физики попыталась объединить в рамках новой сумасшедшей теории все самые последние идеи, знания и предположения. А звучит все это следующим образом - темная материя, излучаемая черными дырами при помощи гравитационных волн.

После того, как ученые эксперимента LIGO обнаружили гравитационные волны, колебания пространственно-временного континуума, порожденные самыми высокоэнергетическими событиями во Вселенной, они задумались о природе их происхождения. И, согласно новой теории, источником гравитационных волн являются частицы, из которых может состоять темная материя, на долю которой приходится более 80 процентов от общего количества материи во Вселенной.

"Сейчас мы будем пытаться использовать черные дыры, самые плотные и компактные объекты во Вселенной, для поисков частиц нового вида" - рассказывает Маша Барияхтар (Masha Baryakhtar), ученая из Института теоретической физики (Perimeter Institute for Theoretical Physics), Канада, - "А особенно нас интересует одна частица - аксион, которую мы искали в течение последних 40 лет и которая является одним из главных кандидатов на звание частицы темной материи".

Как известно, черные дыры являются своего рода гравитационными колодцами, настолько сильными, что ни материя и ни электромагнитное излучение, включая свет, не могут вырваться из ловушки, пройдя границу так называемого горизонта событий. В процессах, происходящих в непосредственной близости от черных дыр, принимают участие огромные количества энергии, которая является источником возникновения гравитационных волн.

Но с точки зрения новой теории, черные дыры являются чем-то большим, нежели простыми гравитационными колодцами. Они являются своего рода ядрами огромных "гравитационных атомов", а роль электронов в этом случае играют аксионы, частицы, масса которых меньше массы электрона в миллиард миллиардов раз. Наличие вокруг черной дыры ореола из обычной материи, разогретой до сверхвысоких температур, не играет никакой роли в данных процессах, ведь аксионы не взаимодействуют с обычной материей ни через силы трения, ни через электромагнетизм.

Вращение черной дыры, находящейся в центре гравитационного "атома", приводит к искажению прилегающего к ней пространства, что в свою очередь, приводит к возникновению большого количества аксионов. В результате этого эффекта, получившего название суперсвечения, в окрестностях черной дыры может возникнуть до 10^80 аксионов, что сопоставимо с количеством обычных атомов во всей Вселенной.

Аксионы, вращающиеся вокруг черной дыры, подобно электронам в атоме, могут переходить на более высокий или на более низкий энергетический уровни, поглощая энергию черной дыры или теряя свою собственную энергию. Так как аксионы имеют гравитационную природу, то и отдаваемая ими энергия выделяется в виде гравитационных волн. Гравитационные волны, порожденные колебаниями огромного количества аксионов, имеют не очень большую амплитуду, зато они имеют очень четкую частоту, подобную спектральным линиям химических элементов, знакомым нам по школьному курсу химии.

К сожалению, нынешние гравитационные датчики, LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory) и Virgo, еще не в состоянии регистрировать гравитационные волны, порождаемые аксионами возле черных дыр. Однако, эти инструменты подвергаются постоянной модернизации и спустя некоторое время их чувствительности станет достаточно для обнаружения слабых гравитационных волн, которые станут доказательством факта существования аксионов. При этом, ученые, как и прежде, будут уделять большое внимание случаям столкновений черных дыр. Во время таких столкновений эффект суперсвечения усиливается многократно и его можно зарегистрировать даже при помощи уже имеющихся инструментов в виде определенного образа в собираемых данных.

Однако, в новой теории, как и в любой другой теории, имеется несколько "дыр". Согласно данным теоретических расчетов, гравитационные "атомы" с черными дырами, способны производить аксионы только с определенным значением массы-энергии, которая не соответствует массе аксионов, являющихся кандидатами на частицы темной материи. Вторым "узким местом" новой теории является то, что она не принимает во внимание потенциальное влияние друг на друга черных дыр незадолго до момента столкновения, а это влияние, с точки зрения некоторых ученых, оказывает весьма сильное воздействие на происходящие перед и во время столкновения процессы.

Закрыть эти "дыры" в теории помогут только непосредственные наблюдения за реальными событиями. "Чувствительность существующих гравитационных инструментов только начинает приближаться к границе необходимого для этого диапазона" - рассказывает Маша Барияхтар, - "И в скором времени мы сможем начать регистрировать первые сигналы, которые будут состоять из одной или нескольких тысяч наложившихся друг на друга определенным образом "аксионных гравитационных" сигналов, которые являются своего рода звуком гула, издаваемого гравитационным атомом черной дыры".
"Благодаря появлению новых инструментов типа LIGO мы только начинаем вникать в совершенно новые области физики" - рассказывает Прескод-Вайнштейн (Prescod-Weinstein), - "И за последующие 10 лет нас ожидает череда громких и важных открытий в этих новых областях, которые смогут послужить подтверждением или опровержением нашей новой теории".