Wykorzystanie fal grawitacyjnych do polowania na ciemną materię
Międzynarodowy zespół kosmologów odkrył, że obserwacje fal grawitacyjnych z łączących się czarnych dziur mogą ujawnić prawdziwą naturę ciemnej materii.
Wizja artystyczna przedstawiająca dwie łączące się czarne dziury podobne do tych wykrytych przez LIGO. Źródło: LIGO/Caltech/MIT
Zespół postanowił wykorzystać zaawansowane symulacje komputerowe, aby przeprowadzić badania dotyczące wytwarzania sygnałów fal grawitacyjnych w modelowych wszechświatach, w których występują różne rodzaje ciemnej materii. Ich fascynujące odkrycia wskazują na to, że analiza zdarzeń związanych z łączeniem się czarnych dziur, wykrytych przez obserwatoria nowej generacji, może dostarczyć istotnych informacji na temat oddziaływania ciemnej materii z innymi cząstkami. To z kolei daje nowy wgląd w naturę budowy ciemnej materii.
Kosmolodzy powszechnie uważają, że ciemna materia stanowi jeden z największych brakujących elementów w naszym zrozumieniu kosmosu. Choć istnieją mocne dowody na to, że ciemna materia odpowiada za aż 85% całej materii we Wszechświecie, to wciąż nie ma jednomyślności co do jej natury. Wiele pytań pozostaje bez odpowiedzi, między innymi czy cząstki ciemnej materii mogą oddziaływać z innymi cząstkami, takimi jak atomy czy neutrina, czy też przechodzą przez nie bez wpływu.
Jednym ze sposobów sprawdzenia tego jest obserwacja formowania się galaktyk w gęstych obłokach ciemnej materii, które nazywane są halo. Kiedy ciemna materia koliduje z neutrinami, jej struktura ulega rozproszeniu, co skutkuje mniejszą liczbą powstających galaktyk. Niestety, metoda ta ma swoje ograniczenia. Wszystkie te potencjalnie zaginione galaktyki są bardzo małe i znajdują się w dużej odległości od nas, co powoduje trudności w ich weryfikacji nawet przy użyciu najlepszych dostępnych teleskopów.
Zamiast bezpośrednio namierzać brakujące galaktyki, autorzy badania sugerują wykorzystanie fal grawitacyjnych jako pośredniej miary ich występowania. Z przeprowadzonych przez nich symulacji wynika, że w modelach, gdzie ciemna materia oddziałuje z innymi cząstkami, w odległym Wszechświecie dochodzi do znacznie mniejszej liczby fuzji czarnych dziur. Chociaż ten efekt jest zbyt subtelny, aby można go było zaobserwować przy pomocy obecnych eksperymentów z falami grawitacyjnymi, stanie się on głównym celem dla następnej generacji obserwatoriów, które obecnie są planowane.
Autorzy mają nadzieję, że ich metody przyczynią się do inspiracji nowych pomysłów na wykorzystanie danych fal grawitacyjnych do badania wielkoskalowej struktury Wszechświata oraz rzucą nowe światło na tajemniczą naturę ciemnej materii.
Współautor badania, dr Sownak Bose z Uniwersytetu Durham, powiedział: Ciemna materia nadal pozostaje jedną z największych tajemnic w naszym poznaniu Wszechświata. Dlatego szczególnie istotne jest kontynuowanie identyfikacji nowych metod badania modeli ciemnej materii, poprzez łączenie zarówno istniejących, jak i nowych sond, aby w pełni przetestować przewidywania tych modeli. Astronomia fal grawitacyjnych stanowi cenną drogę do lepszego zrozumienia nie tylko samej ciemnej materii, ale również procesów formowania się i ewolucji galaktyk w szerszym kontekście.
Markus Mosbech z Uniwersytetu w Sydney, inny współautor, dodał: Fale grawitacyjne stanowią niezwykłą szansę do badania wczesnego Wszechświata, gdyż przemieszczają się przez niego bez zakłóceń, a nowej generacji interferometry będą dostatecznie wrażliwe, by wykrywać pojedyncze zdarzenia nawet na ogromnych odległościach.
Inny członek zespołu badawczego, prof. Mairi Sakellariadou z King's College London, powiedział: Dane związane z trzecią generacją fal grawitacyjnych otworzą nowe i niezależne możliwości testowania obecnego modelu opisującego ewolucję naszego Wszechświata. Co więcej, te informacje rzucą światło na nadal nieznaną naturę ciemnej materii.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
