Темная материя не взаимодействует со светом или электромагнитным полем и может выдать себя только через гравитацию. Если две черные дыры сближаются и сливаются в области, где плотность темной материи высока, то гравитационные волны — рябь пространства-времени — должны нести отпечаток этой среды. Проблема в том, что распознать такой сигнал крайне непросто.

«Мы знаем, что темная материя существует вокруг нас. Она просто должна быть достаточно плотной, чтобы мы могли наблюдать ее воздействие, — сказал Хосу Ауррекоэчеа из Массачусетского технологического института. — Черные дыры предоставляют механизм для увеличения этой плотности, который мы теперь можем искать, анализируя гравитационные волны, возникающие при их слиянии».

Если черная дыра быстро вращается и через нее проходит поле скалярной темной материи (частиц намного легче электрона), происходит сверхизлучение — энергия вращения черной дыры передается темной материи, и ее плотность локально возрастает до огромных значений. Эта сверхплотная оболочка из темной материи вокруг дыры как раз и оставляет отпечаток на гравитационных волнах при слиянии. Новый метод позволяет улавливать такие отпечатки даже от событий за миллионы световых лет.

Исследователи провели детальные численные моделирования пар черных дыр — их массы, вращения и плотности окружающей темной материи — и построили модель предсказанной формы гравитационной волны для двух случаев: слияния ЧД в пустоте и слияние внутри плотного облака легких скалярных частиц — одного из кандидатов на роль темной материи. Затем сравнили эти шаблоны с реальными данными астрономических наблюдений, пишет MIT News.

Из 28 самых четких сигналов 27 идеально укладывались в модель «слияния в вакууме». Но один сигнал, зарегистрированный 28 июля 2019 года (GW190728), продемонстрировал заметное отклонение в пользу модели с темной материей. Этот сигнал исходил от пары черных дыр суммарной массой около 20 масс Солнца.

Авторы работы подчеркивают, что речь не идет об открытии темной материи. Статистическая значимость результата пока недостаточна для такого заявления. Скорее, теперь у нас есть инструмент, который может выявить событие для последующей проверки другими методами.

Возможность использовать черные дыры как зонд для поиска темной материи — это фантастическая перспектива, позволяющая исследовать масштабы, недоступные ни одному другому эксперименту, утверждают авторы исследования.

Американские ученые выдвинули недавно новую гипотезу темной материи. По их предположению, плотные скопления темной материи — единственный механизм, необходимый для объяснения сразу трех астрофизических явлений совершенно разных масштабов.