Новое исследование, опубликованное в Physical Review Letters, исследует влияние сверхлёгкой тёмной материи на спиральные галактики с экстремальным отношением масс (EMRI), которые могут быть обнаружены будущими космическими детекторами гравитационных волн, такими как LISA (космическая антенна с лазерным интерферометром).

Системы EMRI состоят из сверхмассивной чёрной дыры (SMBH) в сочетании с меньшим объектом, которое может быть звездой или другой чёрной дырой. Гравитационные волны, испускаемые этими системами при движении более мелких звёздных объектов по спирали в сверхмассивную чёрную дыру, могут указывать на поведение сверхлёгкой тёмной материи внутри и вокруг этих систем.

Иллюстрация двойной системы с экстремальным отношением масс. Источник: Beatriz Oliveira and Rodrigo Vicente

Авторы исследования, доктор Франциско Дуке и доктор Родриго Висенте, объяснили, что сверхлёгкая тёмная материя состоит из частиц тёмной материи малой массы, моделируемых как скалярные бозоны, которые не имеют собственного спина. Это создаёт скалярное поле, которое плавно распределено в пространстве.

Исследователи также обнаружили, что плотность облаков сверхлёгкой тёмной материи вокруг сверхмассивной чёрной дыры может в 20 раз превышать плотность золота, что подчёркивает значительное влияние сверхлёгкой тёмной материи на эволюцию EMRI и других подобных систем. Сигналы от гравитационных волн, вызванные сверхлёгкой тёмной материей, может быть обнаружен с помощью будущих детекторов.

Доктор Кайо Маседо, профессор Федерального университета Пара, пояснил, что детектор LISA, запуск которого ожидается в 2035 году, будет чувствителен к миллигерцовым частотам, что позволит ему наблюдать за EMRI с высокой точностью. LISA сможет отслеживать эти системы в течение недель, месяцев или даже лет, а затем идеально подойдёт для наблюдения за фазовым сдвигом, вызванным динамическим трением, которое накапливается в течение многих циклов.

Исследователи также смогли изучить различия в поведении размытой тёмной материи и бозонных облаков. Они обнаружили, что в случае размытой тёмной материи вокруг сверхмассивных чёрных дыр потеря энергии из-за истощения скалярного поля может превышать потерю энергии из-за излучения гравитационных волн, особенно когда меньший объект находится далеко от сверхмассивной чёрной дыры.

Включение релятивистской структуры в систему также выявило резонансное поведение в гравитационных волнах — релятивистский эффект, отсутствующий в ньютоновских моделях. Благодаря более точной модели того, как различные типы материи влияют на гравитационные волны, это исследование может значительно продвинуть понимание гравитации, предоставив важное направление для изучения тёмной материи.

В будущем исследователи планируют расширить свою концепцию для учёта эксцентрических орбит, которые с большей вероятностью можно будет увидеть в системах EMRI. Учёные также планируют адаптировать свою релятивистскую структуру для дисков активных галактических ядер (AGN), которые, как считается, содержат значительные объёмы тёмной материи. Поскольку тёмная материя необходима для формирования крупномасштабных структур, это исследование может обеспечить большую ясность относительно её роли во Вселенной.

Подробнее на iXBT