Nowe testy pozwalają na uzyskanie wyraźnych sygnatur ciemnej materii i zmodyfikowanej grawitacji
Odkrycie zniekształceń czasoprzestrzeni, które powstały w wyniku zderzenia dwóch czarnych dziur, nie tylko potwierdza słuszność teorii Einsteina, ale daje także astronomom narzędzie umożliwiające testowanie nowej fizyki. Fale grawitacyjne mogą pozwolić na zgłębienie takich tajemniczych zjawisk jak ciemna energia i ciemna materia, które wymykają się modelowi standardowemu, a ponadto mogłyby pomóc astronomom w opisaniu grawitacji zgodnie z zasadami mechaniki kwantowej.
Zmodyfikować teorię grawitacji Einsteina
Koncepcja badania prowadzonego w ramach projektu StronGrHEP dotyczy rozszerzenia ogólnej teorii względności Einsteina o nową teorię, nazwaną grawitacją skalarno-tensorową. Według niej wszechświat jest wypełniony dodatkowym polem, które nie zostało jeszcze wykryte. Badania w ramach projektu zostały zrealizowane dzięki wsparciu udzielonemu w ramach działania „Maria Skłodowska-Curie”. Oznacza to, że eksplozja umierającej gwiazdy w postaci supernowej byłaby widoczna nie tylko jako impuls fal grawitacyjnych, ale także jako poświata fal grawitacyjnych, którą bylibyśmy w stanie wykryć. „Moglibyśmy skierować detektor LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) w rejony nieba, w których eksplodowały gwiazdy – na przykład w stronę gwiazdy Keplera – aby spróbować wykryć taką poświatę w polu skalarnym, mogącą utrzymywać się przez stulecia po samej eksplozji”, mówi koordynator projektu Ulrich Sperhake.
Czarne dziury wskazówką dla zmodyfikowanych teorii grawitacji
„Kiedy dwie czarne dziury zderzają się ze sobą, zlewają się w jedną czarną dziurę, która rezonuje jak dzwon uderzony młotem, przy czym dźwięk zderzenia to w istocie fale grawitacyjne. W te fale grawitacyjne wpisane są specyficzne częstotliwości (tony), które przypominają poszczególne nuty w akordzie muzycznym. Widmo częstotliwości tych tonów jest jak odcisk palca pozwalający na identyfikację czarnej dziury i teorii grawitacji, która reguluje jej drgania”, wyjaśnia Sperhake. Astronomowie mogą wykryć te sygnały, jeśli pozostają one powyżej progu czułości detektorów LIGO i VIRGO. Zespół odpowiedzialny za realizację projektu obliczył taki ton na podstawie horyzontu zdarzeń układu podwójnego czarnych dziur – według kalkulacji byłby on słabszy niż ten wykryty w 2015 roku. Ten „odcisk palca” pozwoli na wyszukanie lub wykluczenie śladów echa fal grawitacyjnych pochodzących z obiektów przypominających czarne dziury – egzotycznych niewielkich obiektów, takich jak tunele czasoprzestrzenne, które nie mają horyzontu zdarzeń. Dane te stanowią podstawę do przeprowadzenia dokładnych badań teorii grawitacji i ewentualnego znalezienia dowodów na jej częściowe załamywanie się. Pierwszy w historii obraz czarnej dziury uzyskany przez Teleskop Horyzontu Zdarzeń w 2019 roku mógł również wskazywać na zmodyfikowaną grawitację. Obraz odpowiada przewidywaniom teoretycznym: czarne dziury to ciemne cienie otoczone koroną światła emitowanego przez różne rejony dysku akrecyjnego. Ekstremalne pole grawitacyjne czarnej dziury zniekształca światło, powodując, że dysk przypomina hełm. Zespół szczegółowo zbadał te cienie czarnych dziur w kontekście zmodyfikowanej grawitacji. Uzyskane w ten sposób obrazy ujawniły niezwykle złożoną strukturę przypominającą obrazy fraktalne.
Obiecujący kandydaci na ciemną materię
„Na cienie czarnych dziur może także wpływać obecność ciemnej materii”, dodaje Sperhake. Zespół modelował, jak mogą wyglądać cienie w przypadku obecności teoretycznych subatomowych cząstek nazywanych aksjonami. Bardzo jasne pola bozonowe to kolejna klasa mogąca stanowić skład ciemnej materii. Jeśli istnieją, powinny kondensować się wokół wirujących czarnych dziur, tworząc obłoki. „Tak jak w przypadku ziemskich oceanów, w obłoki te uderzają pływy generowane przez inne duże ciała niebieskie. Wykazaliśmy, że gdy pływy te są wystarczająco duże, obłoki odrywają się od swojej czarnej dziury podczas gwałtownego zdarzenia zakłócającego pływ”, podsumowuje Sperhake.
Słowa kluczowe
StronGrHEP, czarna dziura, fale grawitacyjne, ciemna materia, zmodyfikowana grawitacja, model standardowy, grawitacja skalarno-tensorowa
