Jak „schwytać” ciężką ciemną materię

Obserwacje fuzji galaktyk karłowatych przy użyciu obserwatorium fal grawitacyjnych LISA pomogą astronomom w zrozumieniu tego, czy istnieje ciężka ciemna materia i jakie właściwości posiada. Do takiego wniosku doszli fizycy teoretycy, prezentując go w artykule na łamach „Astrophysical Journal Letters”.

„Pokazaliśmy, że częstotliwość fuzji galaktyk karłowatych i czarnych dziur w ich ośrodkach będzie bezpośrednio zależała od tego, ile jest w nich ciemnej materii. Dziś teoretycy uważają, że powinno być jej tam dużo z powodu tego, co podejrzewaliśmy od dłuższego czasu, że wpłynie to na ich właściwości kosmologiczne"- powiedział Lucio Mayer z Uniwersytetu w Zurychu (Szwajcaria).

Nici Wszechświata

Dość długo naukowcy uważali, że Wszechświat składa się z materii, którą widzimy i która stanowi podstawę wszystkich gwiazd, czarnych dziur, mgławic, skupisk pyłu i planet. Ale pierwsze obserwacje prędkości poruszania się gwiazd położonych najbliżej nas galaktyk pokazały, że gwiazdy na ich obrzeżach przemieszczają się z niewiarygodnie wysoką prędkością, która była około 10 razy większa niż wynika to z obliczeń opartych na masach wszystkich gwiazd w nich.

Powodem tego — jak dziś twierdzą naukowcy — była tzw. ciemna materia — tajemnicza substancja, która stanowi około 75% masy materii we Wszechświecie. Z reguły w każdej galaktyce jest około 8-10 razy więcej ciemnej materii niż jej widocznej „kuzynki", a ta ciemna materia utrzymuje gwiazdy w miejscu i nie pozwala im „rozbiec się".

Nieudane poszukiwania śladów ciemnej materii na Ziemi – zdaniem Mayera — powodują, że wielu naukowców wątpi w jej istnienie lub że składa się z superciężkich i „zimnych” cząstek WIMP, które nie przejawiają się, z wyjątkiem przyciągania widzialnego skupiska materii.

Mayer i jego koledzy zastanawiali się, gdzie i jak można znaleźć najbardziej „niezawodne" ślady tej formy ciemnej materii. Ich uwagę przykuły obiekty, które, jak przewidują powszechnie uznane teorie kosmologiczne, powinny składać się niemal wyłącznie z tej substancji — najsłabsze galaktyki karłowate.

Kosmiczny „mikser”

Naukowcy stworzyli model komputerowy takich „gwiezdnych megalopolisów”, pozwalający im zderzać je ze sobą i innymi obiektami, a także zmieniać stosunek masy widzialnej i ciemnej materii oraz ich rozmieszczenie w galaktykach.

Z obliczeń tych niespodziewanie wyszło, że zachowanie centralnych czarnych dziur w takich galaktykach, a także częstotliwość ich fuzji, będzie silnie uzależniona od obecności ciemnej materii i jednej z jej specyficznych właściwości — jak bardzo różni się jej gęstość na obrzeżach i w centrum tych karlików.

Okazało się, że czarne dziury mogą zbliżać się do siebie, tworzyć ścisłe pary i scalać się tylko w tych przypadkach, jeśli ciemna materia została rozmieszczona bardzo nierównomiernie w tych galaktykach. Czyli obserwacje częstotliwości ich fuzji mogą powiedzieć nam, w jaki sposób ciemna materia rozprowadzana jest we Wszechświecie i czy w ogóle istnieje.

Jak obliczyć takie „kosmiczne zdarzenia”? Superciężkie czarne dziury, obracające się w niewielkiej odległości od siebie, będą emitować fale grawitacyjne o bardzo niskiej częstotliwości. Będą one niewidoczne dla teleskopów naziemnych, ale będą wyraźnie widoczne dla orbitalnego obserwatorium grawitacyjnego LISA, którego budowa rozpocznie się w drugiej połowie 2020 roku.

Projekt ten to układ trzech satelitów, które mają monitorować wahania czasoprzestrzeni, wychwytując fale grawitacyjne. Satelity będą komunikować się ze sobą za pomocą sygnału laserowego.

Mayer i jego koledzy mają nadzieję, że obserwacje z wykorzystaniem LISA pomogą naukowcom potwierdzić istnienie ciemnej materii i wyjaśnić, które teorie, opisujące jej strukturę, są najbliżej rozwiązania tajemnicy życia Wszechświata.