Гравитационные волны помогут искать темную материю

Физики оценили, можно ли обнаружить темную материю в виде сверхлегких частиц-бозонов при помощи гравитационных волн. Согласно их расчетам, первые результаты могут быть получены уже сейчас, при помощи детектора LIGO, за разработку которого присудили Нобелевскую премию по физике 2017 года. Статья опубликована в журнале Physical Review Letters.

Темная материя представляет собой явление неизвестной природы, о существовании которого ученые сделали вывод благодаря косвенным свидетельствам. Это явление описывают множество гипотез. Некоторые из них пытаются представить темную материю как совокупность частиц разнообразных масс, в том числе сверхлегких. Именно такой вариант темной материи обсуждается в новой статье.

Авторы показывают, что бозоны чрезвычайно малых масс будут собираться в долгоживущие образования снаружи от горизонтов вращающихся черных дыр. Такие облака будут обращаться вокруг черных дыр и сами служить источниками гравитационных волн. По отдельности излучение от таких источников слишком слабо, чтобы их обнаружить, но совокупное излучение множества будет формировать гравитационно-волновой фон, которые может быть обнаружен существующим инструментом LIGO и в рамках будущей космической миссии LISA.

Уровень шума можно использо0вать для того, чтобы оценить массы частиц. В оптимистичном сценарии LIGO сможет обнаружить шум, порожденный бозонами с массой от 2×10^-13 до 10^-12 электронвольт, а LISA — от 5×10^-19 до 10^-16 эВ. По расчетам физиков, анализ данных, уже собранных американской установкой, может быть использован для того, чтобы исключить существование аксионов с массами около 10^-12,5 эВ. Предстоящие измерения вращений массивных черных дыр спутником LISA должны либо исключить наличие бозонов в диапазоне масс от 10^-18 до 2×10^-13 эВ, либо определить их массу с 10% точностью в диапазоне от 10^-17 до 10^-13 эВ.