Физики выяснили, как "поймать" тяжелую темную материю

Наблюдения за слияниями карликовых галактик при помощи орбитальной гравитационной обсерватории LISA помогут астрономам понять, существует ли тяжелая темная материя и какими свойствами она обладает. К такому выводу пришли физики-теоретики, опубликовавшие статью в Astrophysical Journal Letters.

"Мы показали, что частота слияний карликовых галактик и черных дыр в их центрах будет напрямую зависеть от того, как много темной материи присутствует внутри них. Сегодня теоретики считают, что ее там должно быть много, из-за чего мы достаточно давно подозревали, что она будет влиять на их космологические свойства", - заявил Люсио Майер (Lucio Mayer) из Цюрихского университета (Швейцария).

Нити мироздания

Достаточно долгое время ученые считали, что Вселенная состоит из той материи, которую мы видим, и которая составляет основу всех звезд, черных дыр, туманностей, скоплений пыли и планет. Но первые наблюдения за скоростью движения звезд в близлежащих к нам галактиках показали, что светила на их окраинах движутся в них с невозможно высокой скоростью, которая была примерно в 10 раз выше, чем показывали расчеты на базе масс всех светил в них.

Причиной этого, как сегодня считают ученые, была так называемая темная материя - загадочная субстанция, на чью долю приходится примерно 75% от массы материи во Вселенной. Как правило, в каждой галактике примерно в 8-10 раз больше темной материи, чем ее видимой "кузины", и эта темная материя удерживает звезды на месте и не дает им "разбежаться".

Безуспешные поиски следов темной материи на Земле, как отмечает Майер, заставляют многих ученых сомневаться в том, что она существует в принципе, или что она сложена из сверхтяжелых и "холодных" частиц-"вимпов", никак не проявляющих себя, кроме как притягивая видимые скопления материи.

Майер и его коллеги задумались о том, где и как можно найти самые "надежные" следы подобной формы темной материи. Их внимание привлекли объекты, которые, как предсказывают общепринятые космологические теории, должны почти полностью состоять из этой субстанции - самые тусклые карликовые галактики.

Космический "миксер"

Ученые создали компьютерную модель подобных "звездных мегаполисов", позволявшую им сталкивать их друг с другом и другими объектами, а также менять соотношение массы видимой и темной материи, а также их распределение по галактикам.

Эти расчеты неожиданным образом показали, что поведение центральных черных дыр в подобных галактиках, а также частота их слияния, будут сильно зависеть от наличия темной материи и одного ее конкретного свойства - насколько сильно различается ее плотность на окраинах и в центрах этих карликов.

Оказалось, что черные дыры могли сближаться, формировать тесные пары и сливаться только в тех случаях, если темная материя была распределена крайне неравномерно по подобным галактикам. Соответственно, наблюдения за частотой их слияния могут рассказать нам, как распределена темная материя по Вселенной и существует ли она в принципе.

Как подсчитать подобные "космические ДТП"? Сверхмассивные черные дыры, вращающиеся на небольшом расстоянии друг от друга, будут излучать очень низкочастотные гравитационные волны. Они будут невидимыми для наземных телескопов, но хорошо заметны для орбитальной гравитационной обсерватории LISA, постройка которой начнется во второй половине 2020 годов.

Она представляет собой набор из трех спутников, которые должны следить за колебаниями пространства-времени, наблюдая за тем, как гравитационные волны отклоняют ход лазерных лучей, соединяющие все три аппарата LISA.

Как надеются Майер и его коллеги, наблюдения при помощи LISA помогут ученым подтвердить существование темной материи и какие теории, описывающие ее устройство, ближе подходят к разгадке тайны жизни Вселенной.