Вокруг вращающихся черных дыр могут образовываться облака сверхлегких частиц. Команда физиков из Амстердамского университета и Гарвардского университета теперь 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. Также давно известно, что они могут терять часть массы в результате сверхизлучения. Известно, что это явление имеет место, и оно эффективно только в том случае, если в природе существуют новые, пока ненаблюдаемые частицы с очень низкой массой, как предсказывают несколько теорий, выходящих за рамки Стандартной модели физики частиц.
Ионизирующие гравитационные атомы
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 очень точное из-за сходства черной дыры и ее облака с привычной структурой обычных атомов, где облака электронов окружают ядро из протонов и нейтронов.
В публикации, появившейся на этой неделе в журнале Physical Review Letters, команда, состоящая из физиков Университета Южной Африки Даниэля Баумана, Джанфранко Бертоне и Джованни Марии Томаселли, а также физика Гарвардского университета Джона Стаута, предполагает, что аналогия между обычными и гравитационными атомами глубже, чем просто сходство в структуре. Они утверждают, что это сходство может быть использовано для обнаружения новых частиц с помощью будущих гравитационно-волновых интерферометров.
В новой работе ученые изучали гравитационный эквивалент так называемого "фотоэлектрического эффекта". В этом хорошо известном процессе, который используется в солнечных батареях для получения электрического тока, обычные электроны поглощают энергию падающих частиц света и таким образом выбрасываются из материала - атомы "ионизируются". В гравитационном аналоге, 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. 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.
Поиск новых частиц
Команда продемонстрировала, 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 обнаруживаются при таких слияниях. Будущие гравитационно-волновые интерферометры - машины, подобные детекторам LIGO и Virgo, за последние несколько лет показавшие нам первые гравитационные волны от черных дыр, - могут наблюдать эти эффекты. Обнаружение предсказанных особенностей гравитационных атомов послужит убедительным доказательством существования новых сверхлегких частиц.