Учёные из Амстердамского университета (UvA) предложили использовать гравитационные волны для изучения тёмной материи — субстанции, составляющей, по оценкам, до 65% массы Вселенной.

Авторы работы разработали улучшенную модель влияния тёмной материи на гравитационные волны, возникающие при слиянии чёрных дыр. Модель описывает, как плотные скопления тёмной материи вокруг массивных чёрных дыр могут оставлять «отпечаток» на гравитационных волнах, создаваемых так называемыми событиями EMRIs (Extreme Mass-Ratio Inspirals) — спиральным сближением и слиянием чёрных дыр или других компактных объектов с экстремальной разницей в массах.

В отличие от предыдущих работ, в новом исследовании используется общая теория относительности, а не ньютоновская гравитация, для описания влияния окружения чёрной дыры на орбиту EMRI и, как следствие, на гравитационные волны. Это первая полностью релятивистская модель для предсказания гравитационных волн, вызванных слиянием чёрных дыр.

Кадр из симуляции слияния двойной черной дыры GW150914.
Источник: LIGO

Особое внимание уделено плотным концентрациям тёмной материи, которые могут формироваться вокруг массивных чёрных дыр. Команда показала, как «всплески тёмной материи» будут оставлять заметный отпечаток на сигналах гравитационных волн.

Ожидается, что новый метод будет применён при анализе данных, которые получит космический аппарат LISA (Laser Interferometer Space Antenna) Европейского космического агентства (ESA), запуск которого запланирован на ближайшее десятилетие. LISA станет первой космической обсерваторией, предназначенной для изучения гравитационных волн. Она будет состоять из трёх космических аппаратов, использующих шесть лазеров для измерения колебаний пространства-времени. Ожидается, что обсерватория обнаружит более 10 000 сигналов гравитационных волн за время своей миссии.

Работа является частью растущего направления исследований, предлагающего использовать гравитационные волны для картирования распределения тёмной материи во Вселенной, а также для прояснения природы и состава этой загадочной массы.