Створена нова карта розподілу темної матерії, яка має найвищу роздільну здатність на сьогоднішній день
3 Квітня , 2017
Tesla Model 3 в 10 разів безпечніше середньостатистичного авто
3 Квітня , 2017

Неймовірна теорія поєднує чорні діри, темну матерію і гравітаційні хвилі

Останні кілька років були багаті на фізичні відкриття. Вчені знайшли бозон Хіггса, частинку, за якою вони полювали більше 50 років, в 2012 році та гравітаційні хвилі, про які заговорили ще 100 років тому, в 2016. В цьому році вони намірились побачити чорну діру. Тому, подумали деякі теоретики, чому б не поєднати всі божевільні фізичні ідеї в одну фізику-шмізику? Що, якщо ми спробували б виявити темну матерію, що випромінюється чорними дірами через гравітаційні хвилі?

Ця дивна ідея насправді не така вже й неможлива. Тепер, коли вчені виявили гравітаційні хвилі, брижі в просторі-часу, які народжуються поблизу жорстоких фізичних подій, вони хочуть використати своє відкриття для реальних фізичних спостережень. Вони думають, що у них з’явився спосіб виявити абсолютно нові частинки, з яких може складатись темна матерія, невідому речовину, на яку припадає понад 80% усієї гравітації у Всесвіті.

«Основна ідея полягає в тому, що ми намагаємось використовувати чорні діри — найбільш щільні, самі стислі об’єкти Всесвіту — для пошуку частинок нового типу», – говорить Маша Бар’яхтар, докторант Інституту теоретичної фізики Периметра в Канаді. Особливо, однієї частинки: «Аксіон. Люди шукають його 40 років».

Чорні діри — це воронки всесвіту, настільки сильні, що світло не може покинути їх тяжіння, якщо вже потрапило всередину. У них такі потужні гравітаційні поля, що вони створюють гравітаційні хвилі, коли стикаються один з одним. Темна матерія не може бути створена з частинок (мікропилинок маси та енергії), але якщо б могла, то ми спостерігали б її у вигляді аксіонів, часток у квінтільйон (мільярд мільярдів) разів легших електрона, що снують навколо чорних дір. Тепер, коли ви ознайомились з усіма термінами, ось як працює ця теорія.

Бар’яхтар та її колеги вважають, що чорні діри не просто ведмежі капкани для світла, а ядра в центрі, свого роду, гравітаційного атома. Аксіони тоді будуть електронами, за аналогією. Якщо ви вже знаєте про чорні діри, ви згадайте, що навколо них обертається диск розпеченого газу, виробленого в процесі тертя між частинками, які прискорюються під дією гравітації чорної діри. Ця теорія не враховує цей елемент, оскільки аксіони не взаємодіють в процесі тертя.

Продовжуючи аналогію атома, аксіони можуть стрибати навколо чорної діри, отримуючи і втрачаючи енергію точно так само, як і електрони. Але електрони взаємодіють через електромагнетизм, тому вони випускають електромагнітні хвилі, або світлові хвилі. Аксіони взаємодіють через гравітацію, тому випускають гравітаційні хвилі. Але аксіони крихітні, як ми зазначали раніше. На відміну від крихітного атома, чорна діра в цих “атомах гравітації” обертається, розганяючи простір навколо і захоплюючи його у виробництво більшої кількості аксіонів. Незважаючи на крихітну масу аксіона, цей так званий процес надвипромінення, може виробляє 1080 аксіонов (у Всесвіті стільки ж атомів) навколо однієї чорної діри. Уявляєте? Чорна кулька, що обертається, виробляє неймовірну кількість цікавого матеріалу.

Що особливо цікаво, ми могли б почути гравітаційний шум, вироблений цими аксіонами, які обертаються навколо чорної діри і випускають гравітаційні хвилі в наші детектори, подібно до того як електрони в атомах видають спектральні лінії.

По всьому світі розкидані гігантські детектори гравітаційних хвиль; в даний час один детектор LIGO працює у Вашингтоні, інший детектор LIGO працює в Луїзіані і ще один — Virgo в Італії. Вони досить чутливі, щоб вловити гравітаційні хвилі і, після певних вдосконалень, аксіони. Щоб підтвердити теорію, вченим потрібно записати дані, вивчити їх і вловити потрібний сигнал на потрібній частоті.

Є й інші способи вловити ефект надвипромінювання, наприклад, вимірюючи обертання чорних дір, що стискаються. Якщо чорні діри дійсно виробляють аксіони, вчені побачили б небагато чорних дір, що швидко обертаються, у процесі зіткнення, оскільки ефекти надвипромінювання будуть сповільнювати чорні діри, які зіштовхуються і створювати видимий ефект даних. Так випливає з дослідження, яке було опубліковано цього місяця в журналі Physical Review D. Обертання чорних дір має відтворювати певну картину, яка могла б намалюватись в детектори гравітаційних хвиль.

Інші вчені позитивно поставились до цієї роботи. «Я завжди радий новим способам можливого виявлення моєї улюбленої частинки аксіона. І ще — НАДВИПРОМІНЮВАННЯ!», говорить доктор Чанда Прешкод-Вайнштейн з Університету Вашингтона. «Це так здорово, я не бачила робіт на тему надвипромінювання кілька років. Тому було дуже цікаво побачити надвипромінювання і аксіони в одній роботі».

У цій теорії, як і будь-якій іншій, є кілька недоліків. Цим теоріям атомів чорної діри потрібно виробити аксіони певної маси, але ця маса буде не зовсім придатною для аксіона, щоб вважати його частки темною матерією, каже Прешкод-Вайнштейн. Крім того, ідея виявлення — яка торкається швидкості обертання чорних дір, що стикаються — може не спрацювати. Важливо, щоб вплив чорної діри-компаньйона був не дуже великим.

Коли ми зможемо виявити ці події? На поточний момент детектори гравітаційних хвиль LIGO і Virgo поки не готові. «З поточним рівнем чутливості ми стоїмо на межі» виявлення аксіонов, каже Бар’яхтар. «Але LIGO буде продовжувати удосконалювати свої інструменти і підвищувати чутливість, поки ми не зможемо побачити хоча б 1000 сигналів таких аксіонів», говорить вона. Тисячі бджіл цих атомів у вигляді чорних дір.

Підводячи підсумки, можна резюмувати все це наступним чином. У нас є детектори гравітаційних хвиль, які коштують сотні мільйонів доларів кожен і які можуть відповісти на божевільні питання про те, що відбувається у Всесвіті. Теоретики вигадали цікавий спосіб використати їх, щоб вирішити одну з найважливіших міжзоряних загадок: що таке темна матерія? Як і більшість нових ідей у галузі теоретичної фізики, ця ідея крута, і її час ще не прийшов… але прийде.

Залишити відповідь

Увійти за допомогою: 
Inline
Inline