Mörk materia är en av universums största gåtor. Trots att den utgör cirka 27 % av universums totala massa-energi-innehåll har vi ännu inte lyckats observera den direkt. En spännande möjlighet som nyligen fått mycket uppmärksamhet är att mörk materia kan bestå av ultralätta bosoner, såsom axioner. Dessa exotiska partiklar skulle kunna avslöjas genom att få rumtiden att ”ringa som en klocka” runt roterande svarta hål.
Ultralätta bosoner – en märklig form av mörk materia
Axioner föreslogs ursprungligen för att förklara vissa egenskaper hos den starka kärnkraften, men de har också blivit populära kandidater för mörk materia. Axioner är extremt lätta partiklar, i vissa teorier bara en miljarddel av elektronens massa. Deras låga massa innebär att de beter sig som kvantvågor snarare än klassiska partiklar på kosmiska skalan. Detta vågbeteende gör att de kan bilda stora, svårupptäckta strukturer runt massiva objekt.
När dessa axionliknande partiklar interagerar med roterande svarta hål genom en process som kallas superradians, kan de extrahera energi och rörelsemängd från svarta hål. Detta leder till att ett moln av bosoner bildas runt det svarta hålet, som en osynlig slöja. Partiklarna fångas i omloppsbanor och hindras från att passera genom händelsehorisonten.
Rumtiden som en kosmisk klocka
När axionmolnet har extraherat all möjlig energi från det svarta hålet börjar det sakta försvinna genom att avge gravitationsvågor. Detta fenomen, som liknas vid att ”ringa rumtiden som en klocka”, skapar en unik typ av gravitationsvågor. Till skillnad från de vågor som alstras av svarta hål-sammanslagningar är dessa signaler mer långlivade och har en distinkt signatur.
Forskning visar att dessa vågor, även om de är svagare än traditionella gravitationsvågor, kan ligga inom detekterbara frekvensbandet för nuvarande och framtida gravitationsvågsdetektorer som LIGO, Virgo och den planerade rymdbaserade detektorn LISA. Dessa signaler kan ge oss en unik möjlighet att leta efter mörk materia och bekräfta existensen av ultralätta bosoner.
Förbättrade modeller för gravitationsvågor
I en nyligen publicerad studie undersökte forskare hur bosonmolnens självgravitation påverkar frekvensen hos de utsända gravitationsvågorna. De fann att relativistiska effekter kan förstärka frekvensförskjutningen med upp till en faktor två jämfört med tidigare icke-relativistiska modeller. Denna insikt har lett till förbättrade modeller som kan användas för att bättre förstå och detektera dessa signaler.
Forskarna påvisar också att bosonmoln påverkar geometri och fysik runt det svarta hålet. Exempelvis kan omloppsbanor, som den innermost stabila cirkulära banan (ISCO), förändras i närvaro av dessa moln, vilket kan påverka mätningar av svarta håls spin. Dessa effekter är särskilt starka för moln av ultralätta vektorpartiklar.
Sökandet efter gravitationsvågssignaturer
Med dessa förbättrade modeller föreslår forskare att vi letar igenom redan insamlade data från gravitationsvågsdetektorer för att hitta bevis för axionmörk materia. Om sådana signaler hittas skulle det vara en revolutionerande upptäckt som inte bara bekräftar axioners existens, utan också ger insikter om mörk materia och svarta håls fysik.
Om inga signaler hittas kan kommande experiment justeras för att bättre identifiera dessa svaga, men långlivade signaler. Framtidens gravitationsvågsdetektorer kan bli nyckeln till att öppna ett nytt fönster mot universums mest gåtfulla materia.
Slutsats
Axionmörk materia som interagerar med svarta hål erbjuder en unik möjlighet att utforska både mörk materia och gravitationens gränser. Genom att kombinera teoretiska modeller och avancerad teknologi kan vi snart få svar på några av de mest grundläggande frågorna om universums natur. Kanske är det genom rumtidens subtila ”klang” som vi slutligen får höra mörk materia tala.