Физики Амстердамского университета и Института Нильса Бора в Копенгагене обнаружили, что слияние черных дыр может раскрыть информацию о существовании новых частиц. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Ученые проанализировали гравитационные волны, которые возникают при слиянии черных дыр, и обнаружили, что эти волны могут нести данные о сверхлегких бозонах — гипотетических частицах, существование которых пока не доказано. Такой механизм называется сверхизлучением, при котором черная дыра, вращаясь с высокой скоростью, сбрасывает массу в облако частиц. Система черная дыра-облако называется «гравитационным атомом» из-за ее сходства с электронным облаком вокруг протона.
Исследование основывается на моделях эволюции двойных черных дыр, которые были разработаны учеными за последние шесть лет. Одной из ключевых находок стали резонансные переходы, когда облако частиц «перескакивает» в новое состояние, аналогично тому, как электрон в атоме меняет орбиту. Также была изучена ионизация — процесс, при котором часть облака выбрасывается.
Результаты показывают два возможных сценария касательно эволюции системы черных дыр. Если вращение черных дыр и облака противоположны, ионизация облака оставляет четкий отпечаток на гравитационных волнах. В остальных случаях резонансные переходы разрушают облако, что приводит к изменению орбиты двойной системы.
Таким образом, наблюдение за этими явлениями позволит ученым искать сверхлегкие бозоны двумя путями: через ионизацию или через специфические изменения в орбитах черных дыр. Предстоящие наблюдения гравитационных волн помогут подтвердить эти предположения.
Результаты исследования открывают новые перспективы для изучения темной материи и природы гравитации, предлагая конкретные стратегии для поиска новых частиц с помощью наблюдений гравитационных волн.