Badania wskazują na obecność ciemnej materii i oddziaływanie czarnych dziur na fale grawitacyjne Coraz więcej dowodów wskazuje na to, że nasz Wszechświat mogą wypełniać czarne dziury, będąc długo poszukiwanymi, ukrytymi kandydatami do miana zakamuflowanej ciemnej materii. Finansowani ze środków UE naukowcy badają ślady, jakie pozostawiają takie enigmatyczne obiekty. Badania podstawowe Przemysł kosmiczny © varuna, Shutterstock Przełomowe odkrycie pierwszych bezpośrednich dowodów na istnienie w czasoprzestrzeni fal grawitacyjnych powstałych w wyniku zderzenia czarnych dziur dostarcza nowych, cennych informacji na temat niepowtarzalnych procesów fizycznych, jakie miały miejsce podczas pierwszych chwil istnienia Wszechświata, których przebieg pozostaje niejasny. Fale grawitacyjne mogą rzucić światło na głęboko skrywane tajemnice, takie jak natura ciemnej materii. Co więcej, mogą one pomóc w dopasowaniu grawitacji do mechaniki kwantowej. Grawitacja kwantowa rodziłaby fascynujące pytania: czy klasyczny opis kwantowych czarnych dziur pozostałby dobrym przybliżeniem? „Niektóre efekty kwantowe mogłyby nawet całkowicie uniemożliwić powstawanie czarnych dziur”, zauważa Vitor Cardoso, koordynator finansowanego ze środków UE projektu MaGRaTh. Projekt MaGRaTh rozpoczęto w celu precyzyjnego przewidzenia wszystkich tych fundamentalnych zjawisk fizycznych, które można by zbadać przy użyciu danych z fal grawitacyjnych. Czy czarne dziury naprawdę istnieją? Obserwacje obiektów astrofizycznych o silnych polach grawitacyjnych i, co za tym idzie, dużych zakrzywieniach czasoprzestrzeni mogą wskazywać na obecność nowych pól fundamentalnych i nieodkrytych jeszcze cząstek. Poszukiwanie odpowiedzi związanych z podstawową fizyką silnych pól grawitacyjnych ukierunkowało badania projektu MaGRaTh na pogranicze czarnych dziur i ciemnej materii. „Skupiliśmy się na zrozumieniu, jak silne pola grawitacyjne zachowują się w pobliżu masywnych obiektów, takich jak czarne dziury. Czy dane na temat fal grawitacyjnych rzeczywiście ujawniły obecność czarnych dziur? Jeśli tak, to jak materia reaguje w pobliżu tych masywnych obiektów?”, pyta Cardoso. Jeśli czarne dziury naprawdę istnieją, powinny stanowić doskonałe laboratorium do badania otaczającego je środowiska. „Mogłyby idealnie sprawdzić się do wykrywania nowych rodzajów materii, które łączą się z grawitacją powodowaną przez materię widzialną – w rzeczywistości mogłyby być ukrytą ciemną materią”, dodaje Cardoso. Wykluczanie naśladowców czarnych dziur Zespół projektu MaGRaTh podał zaskakujące wyniki, które dowodzą, że ciemne, masywne obiekty emitujące fale grawitacyjne rzeczywiście mogą być czarnymi dziurami. „Czarne dziury są znane ze swojej zdolności do pochłaniania światła lub czegokolwiek innego na swojej drodze. Ale taki los czeka promieniowanie/cząstki, które zostaną wessane za punkt zwany horyzontem zdarzeń”, wyjaśnia Cardoso. Istnienie horyzontu zdarzeń jest charakterystyczną różnicą pomiędzy czarnymi dziurami a osobliwymi zwartymi obiektami, które pozornie zachowują się jak czarne dziury. „Odkryliśmy, że obiekty naśladujące czarne dziury wytwarzają w emitowanych falach grawitacyjnych »echo«. Takie sygnały echa są słabszymi wersjami głównego impulsu i mają inne spektrum częstotliwości. Co ważne, stanowią one dowód na istnienie swoistych »naśladowców« czarnych dziur”. Rozwiązywanie równań Einsteina dla nowych form materii Ze względu na pojawianie się tych naśladowców czarnych dziur w danych dotyczących fal grawitacyjnych naukowcy wykorzystali równania Einsteina do opisania ich zachowania i zbadania, czym różnią się od czarnych dziur. Idąc o krok dalej, Cardoso i jego zespół przeprowadzili symulacje mające na celu odwzorowanie zachowania niestandardowej materii wokół czarnych dziur. „Jeśli istnieją nowe formy materii, to jaki ślad pozostawiają na czarnych dziurach?”, pyta Cardoso. Jest to ekscytujące, ale trudne pytanie; równania Einsteina są nieliniowe i stają się znacznie bardziej skomplikowane, gdy do ich rozwiązania nie stosuje się przybliżeń. Wyniki projektu dotyczące oddziaływań pomiędzy ciemną materią a czarnymi dziurami przedstawiono w licznych publikacjach. „Zaskakującym odkryciem było to, że pewne rodzaje ciemnej materii mogą wysysać niemal całą energię rotacyjną czarnych dziur, naprawdę je spowalniając!”, zauważa Cardoso. Dane uzyskane w ramach projektu MaGRaTh dostarczają wyraźnych wskazówek na potrzeby nowej fizyki. Badania wydają się umacniać twierdzenia zespołu o obecności czarnej dziury i mogą ostatecznie pomóc astronomom odkryć lub wykluczyć kandydatów do miana ciemnej materii. „Symulacje superkomputerowe wykonują za nas dużą część naszej pracy, ale część wyobrażeniowa i wypracowanie konsekwencji leży całkowicie po naszej stronie!”, podsumowuje Cardoso. Słowa kluczowe MaGRaTh, czarne dziury, ciemna materia, fala grawitacyjna, naśladowcy czarnych dziur, sygnał echa
