Ученые Института гравитационной физики Общества Макса Планка и Института физики высоких энергий Барселоны раскрыли способ найти темную материю по ее влиянию на системы с экстремальным отношением масс (EMRI) в спиральных галактиках. Исследование, опубликованное в Physical Review Letters, предполагает, что эти эффекты могут быть обнаружены будущими космическими детекторами гравитационных волн, такими как LISA.
Физики рассмотрели сценарий со сверхлегкой темной материей, состоящей из частиц, которые можно моделировать как скалярные бозоны. Эти частицы создают скалярное поле, плавно распределенное в пространстве, и могут взаимодействовать с гравитационными волнами, излучаемыми системами EMRI, что ведет к фазовым сдвигам этих волн. EMRI состоят из сверхмассивной черной дыры (SMBH) в сочетании с меньшим астрономическим телом, которое может быть звездой или другой черной дырой.
Ученые применили полностью релятивистский подход для анализа поведения этих систем, поскольку ньютоновские модели не учитывают эффекты экстремальной гравитации. Их метод позволил изучить потерю энергии системами EMRI через гравитационные волны и взаимодействие с окружающей средой из скалярного поля.
Результаты показали, что меньшие черные дыры, вращающиеся вокруг сверхмассивных черных дыр, создают плотный след в сверхлегкой темной материи, который вызывает динамическое трение и влияет на сигнал гравитационных волн. Это может приводить к изменению поведения волн, что может быть обнаружено с помощью детекторов, таких как LISA.
Кроме того, исследование выявило различия между размытыми формами темной материи и бозонными облаками. В частности, размытая темная материя влияет на потерю энергии на больших расстояниях от черных дыр, а рассеяние энергии в бозонных облаках сильно зависит от их окружения.
В заключение ученые предполагают, что дальнейшие исследования помогут лучше понять природу темной материи. В будущем команда планирует адаптировать свою модель для изучения более сложных систем, таких как диски активных галактических ядер, что может пролить свет на роль темной материи в формировании крупномасштабных структур Вселенной.