Новое исследование в журнале Physical Review Letters изучает воздействие легковесной тёмной материи на спиральные галактики с экстремальным отношением масс. Такие объекты могут обнаружить будущие космические детекторы гравитационных волн, например, LISA.
EMRI-системы представляют собой пару: сверхмассивная чёрная дыра и более лёгкий объект — звезду или другую чёрную дыру. Движение меньших объектов по спирали в сторону сверхмассивных чёрных дыр создаёт гравитационные волны, которые могут пролить свет на поведение лёгкой тёмной материи в этих системах.
Доктор Франциско Дуке и доктор Родриго Висенте, авторы исследования, утверждают, что сверхлёгкая тёмная материя состоит из частиц малой массы, моделируемых как скалярные бозоны, не обладающие собственным спином. Это формирует скалярное поле, равномерно распределенное в пространстве.
Учёные установили, что плотность облаков сверхлёгкой тёмной материи вокруг сверхмассивных чёрных дыр может в двадцать раз превосходить плотность золота. Это свидетельствует о важности роли сверхлёгкой тёмной материи в развитии систем типа EMRI и подобных. Датчики будущих детекторов, возможно, смогут регистрировать сигналы гравитационных волн, порождённых сверхлёгкой тёмной материей.
Доктор Кайо Маседо, профессор Федерального университета Пара, объяснил, что детектор LISA, запуск которого запланирован на 2035 год, сможет регистрировать миллигерцовые частоты, благодаря чему с высокой точностью будет наблюдать за EMRI. LISA сумеет отслеживать эти системы в течение недель, месяцев или даже лет и идеально подойдёт для наблюдения за фазовым сдвигом, вызванным динамическим трением, которое накапливается во множестве циклов.
Исследователи изучили различия в поведении размытой тёмной материи и бозонных облаков. В случае размытой тёмной материи вокруг сверхмассивных чёрных дыр потеря энергии из-за истощения скалярного поля может превышать потерю энергии из-за излучения гравитационных волн, особенно когда меньший объект находится далеко от сверхмассивной чёрной дыры.
Введение релятивистской структуры в систему выявило резонансное поведение в гравитационных волнах — эффект, отсутствующий в ньютоновских моделях. Благодаря более точной модели взаимодействия различных типов материи с гравитационными волнами исследование может существенно продвинуть понимание гравитации и предоставить важное направление для изучения темной материи.
В будущем исследователи расширят свою концепцию для учёта эксцентрических орбит, которые будут наблюдаемы в системах EMRI. Также учёные адаптируют релятивистскую структуру для дисков активных галактических ядер (AGN), считающихся источниками значительных объёмов тёмной материи. Исследование может прояснить роль тёмной материи в формировании крупномасштабных структур во Вселенной.