Fale grawitacyjne emitowane przez czarne dziury mogą zostać wykorzystane do wykrycia obecności ciemnej materii i określenia jej adekwatności. Kluczem do tego jest nowy model, oparty na ogólnej teorii względności Einsteina, który szczegółowo śledzi interakcje czarnej dziury z otaczającą ją materią.
Wszechświat jest pełen tajemnic, ale jedna z nich frustruje naukowców szczególnie mocno. Ciemna materia, bo o niej mowa, stanowi około 85 proc. całej masy we wszechświecie, a mimo to wciąż pozostaje dla nas całkowicie nieuchwytna.
Nie emituje światła, nie odbija go i nie pochłania, po prostu tam jest, wpływając na ruch gwiazd i galaktyk.
Do tej pory szukaliśmy jej po omacku, ale badacze z Uniwersytetu Amsterdamskiego właśnie rzucili na ten problem zupełnie nowe światło. Wykorzystali do tego fale grawitacyjne, czyli zmarszczki czasoprzestrzeni, o których marzył już Albert Einstein, a które teraz stają się naszym najczulszym detektorem kosmicznych sekretów.
Kosmiczne tango dwóch czarnych dziur
Kluczem do przełomu, o którym informuje prestiżowe czasopismo Physical Review Letters, są układy zwane EMRI (Extreme Mass-Ratio Inspirals). Wyobraźmy sobie gigantyczną, supermasywną czarną dziurę, taką, jakie zwykle rezydują w centrach galaktyk, oraz znacznie mniejszy obiekt, na przykład czarną dziurę powstałą po zapadnięciu się pojedynczej gwiazdy.
Ten mniejszy partner wpada w grawitacyjną pułapkę giganta i zaczyna wokół niego krążyć, powoli zbliżając się w spirali ku nieuchronnemu końcowi. Nie jest to jednak szybki upadek. To proces, który trwa tysiące lat i obejmuje setki tysięcy, a choćby miliony okrążeń.
Podczas tego morderczego tańca układ emituje nieustanny sygnał w postaci fal grawitacyjnych. To właśnie te fale są dla fizyków niczym kosmiczne odciski palców. jeżeli na drodze mniejszej czarnej dziury znajdzie się gęste skupisko ciemnej materii, jej ruch zostanie subtelnie zaburzony.
Do tej pory naukowcy wiedzieli, iż takie zakłócenia powinny występować, ale brakowało im odpowiednio precyzyjnego narzędzia, by wyłapać te niuanse w szumie wszechświata. Zespół z Amsterdamu, w którego skład wchodzą Rodrigo Vicente, Theophanes K. Karydas i Gianfranco Bertone, postanowił to zmienić.
Więcej na Spider’s Web:
Newton to za mało, czas na pełną relatywistykę
Przełom polega na tym, iż badacze odeszli od uproszczonych, newtonowskich opisów grawitacji, które w ekstremalnych warunkach panujących wokół czarnych dziur po prostu przestają wystarczać. Nowy model opiera się w pełni na ogólnej teorii względności Einsteina. T
Dzięki pełnemu ujęciu relatywistycznemu naukowcy są w stanie prześledzić z niebywałą dokładnością, jak ciemna materia, która powinna tworzyć wokół czarnych dziur charakterystyczne „kopce” lub „kolce”, wpływa na trajektorię lotu mniejszego obiektu.
To odkrycie ma ogromne znaczenie dla misji LISA (Laser Interferometer Space Antenna), którą Europejska Agencja Kosmiczna (ESA) planuje wystrzelić w kosmos około 2035 r. LISA będzie pierwszym w historii detektorem fal grawitacyjnych umieszczonym w przestrzeni kosmicznej, co pozwoli mu na rejestrowanie sygnałów o znacznie niższych częstotliwościach niż te, które wykrywamy w tej chwili na Ziemi.
Dzięki nowemu modelowi fizyków z Amsterdamu, kiedy LISA zacznie zbierać dane, będziemy dokładnie wiedzieli, czego szukać. Każde minimalne przesunięcie w fazie fali grawitacyjnej może nam powiedzieć, jak gęsta jest ciemna materia w danym miejscu i jakie ma adekwatności fizyczne.
2035 r. będzie przełomem dla fizyki
Nauka to gra liczb i precyzji. Detektor LISA będzie śledził setki tysięcy cykli orbitalnych jednego układu EMRI przez miesiące, a choćby lata. W tak ogromnej skali danych choćby najmniejsza niedokładność w modelach matematycznych mogłaby doprowadzić do błędnych wniosków.
Praca badaczy z GRAPPA (Centre of Excellence for Gravitation and Astroparticle Physics Amsterdam) eliminuje ten margines błędu. Pokazują oni, iż ciemna materia nie jest tylko tłem, jest aktywnym uczestnikiem kosmicznych zdarzeń, który zostawia mierzalny ślad w tkaninie czasoprzestrzeni.
Dzięki temu po raz pierwszy w historii możemy przestać zgadywać, czym jest ciemna materia, a zacząć ją mapować. jeżeli model Vicente i jego współpracowników potwierdzi się w praktyce, czarne dziury staną się dla nas gigantycznymi laboratoriami fizyki cząstek elementarnych. To fascynująca perspektywa.
Jest tego więcej
Ustaw Spider’s Web jako preferowane medium w Google
