20 июня 2022

С помощью гравитационных волн обнаружены новые частицы вокруг черных дыр

Облака сверхлегких частиц могут образовываться вокруг вращающихся черных дыр. Команда физиков из Амстердамского университета и Гарвардского университета показывает, что эти облака оставляют характерный отпечаток на гравитационных волнах, испускаемых бинарными черными дырами.

Обычно считается, что черные дыры поглощают все формы материи и энергии вокруг себя. Однако давно известно, что они также могут терять часть своей массы в результате процесса, называемого сверхизлучением. Хотя это явление и имеет место, но оно эффективно только в том случае, если в природе существуют новые, пока ненаблюдаемые частицы с очень низкой массой.

Когда масса извлекается из черной дыры посредством сверхизлучения, она образует большое облако вокруг черной дыры, создавая так называемый гравитационный атом. Несмотря на огромный размер гравитационного атома, сравнение с субмикроскопическими атомами является точным из-за сходства черной дыры и ее облака с привычной структурой обычных атомов, где облака электронов окружают ядро из протонов и нейтронов.

Учёные предполагают, что аналогия между обычными и гравитационными атомами глубже, чем просто сходство в структуре. В своей новой работе они изучали гравитационный эквивалент так называемого «фотоэлектрического эффекта». В этом хорошо известном процессе, который, например, используется в солнечных батареях для получения электрического тока, обычные электроны поглощают энергию падающих частиц света и таким образом выбрасываются из материала - атомы «ионизируются». По аналогии, когда гравитационный атом является частью бинарной системы из двух тяжелых объектов, он возмущается присутствием массивного компаньона, который может быть второй черной дырой или нейтронной звездой. Подобно тому, как электроны в фотоэлектрическом эффекте поглощают энергию падающего света, облако сверхлегких частиц может поглотить орбитальную энергию компаньона, так что часть облака будет выброшена из гравитационного атома.

Команда установила, что этот процесс может кардинально изменить эволюцию таких бинарных систем, значительно сократив время, необходимое компонентам для слияния друг с другом. Более того, ионизация гравитационного атома усиливается на очень специфических расстояниях между бинарными черными дырами, что приводит к резким особенностям в гравитационных волнах, которые мы обнаруживаем при таких слияниях. Будущие гравитационно-волновые интерферометры - машины, подобные детекторам LIGO и Virgo, которые за последние несколько лет показали нам первые гравитационные волны от черных дыр, - могут наблюдать эти эффекты. Обнаружение предсказанных особенностей гравитационных атомов послужит убедительным доказательством существования новых сверхлегких частиц.