Οι μαύρες τρύπες θα μπορούσαν μέσω των βαρυτικών κυμάτων να αποκαλύψουν νέα υπερελαφρά σωμάτια

Πειράματα που σχετίζονται με την αναζήτηση μιας φυσικής πέρα από καθιερωμένο πρότυπο τυπικά ψάχνουν για σχετικά μεγάλης μάζας σωμάτια. Ωστόσο, ορισμένες θεωρίες προβλέπουν την ύπαρξη εξαιρετικά ελαφρών σωματίων που δεν εμφανίζονται στο καθιερωμένο πρότυπο, τα οποία δεν θα φαίνονταν σε πειράματα σύγκρουσης σωματιδίων σε επιταχυντές ή σε ανιχνευτές σκοτεινής ύλης. Ένας νέος υπολογισμός από τον Daniel Baumann του Πανεπιστημίου του Amsterdam και συναδέλφους του υποστηρίζει ότι νέφη υπερελαφρών μποζονίων θα μπορούσαν να είναι ανιχνεύσιμα σε σήματα βαρυτικών κυμάτων από συγχώνευση μελανών οπών. Σε μια τέτοια περίπτωση, τα βαρυτικά κύματα θα μπορούσαν να παρέχουν έναν εξ ολοκλήρου καινοτόμο τρόπο ανίχνευσης ορισμένων σωματίων απρόσιτα για τα συνηθισμένα πειράματα.

Μια περιστρεφόμενη μαύρη τρύπα μπορεί να χρησιμοποιήσει την ενέργεια περιστροφής της για να ενισχύσει την ακτινοβολία που παράγεται από το υλικό που την περιβάλλει, ένα φαινόμενο που αποκαλείται υπερακτινοβόληση. Σύμφωνα με ορισμένα σωματιδιακά μοντέλα, η ακτινοβολία αυτή γεννά μποζόνια με μάζες στην περιοχή 10^-10 έως 10^-20 eV. Ούτε η υπερακτινοβόληση ούτε τα σωμάτια είναι άμεσα ανιχνεύσιμα στο υπόβαθρο άλλου φωτός και ύλης που στροβιλίζεται κοντά σε μια μαύρη τρύπα. Ωστόσο, εάν η μαύρη τρύπα συγκρούεται με άλλη μια μαύρη τρύπα, το νέφος μποζονίων θα μπορούσε να καταρρεύσει ταχύτατα αν ικανοποιείται μια ορισμένη συνθήκη βαρυτικού συντονισμού. Αυτός ο συντονισμός συμβαίνει όταν η τροχιακή συχνότητα του ζεύγους των μελανών οπών πολλαπλασιαζόμενη με τη σταθερά του Planck ταιριάζει με τα ενεργειακά επίπεδα του μποζονιακού νέφους. (Το μποζονιακό νέφος συμπεριφέρεται όπως το ηλεκτρονιακό νέφος σε ένα άτομο). Αυτή η ταχύτατη κατάρρευση θα επηρέαζε τις αρμονικές του σήματος του βαρυτικού κύματος από τη συγχώνευση των μελανών οπών.

Αυτά τα υπερελαφρά μποζόνια θα μπορούσαν να περιλαμβάνουν αξιόνια και σωμάτια όπως τα αξιόνια που αναδύονται φυσικά σε πολλές σωματιδιακές θεωρίες και μπορεί να είναι ένα κλάσμα της ακόμη ασύλληπτης σκοτεινής ύλης. Τα σήματα των βαρυτικών κυμάτων που καταγράφηκαν από τις συνεργασίες LIGO και Virgo μέχρι τώρα δεν είναι αρκετά ευαίσθητα για να φανεί η πολύ μικρή επίδραση των υπερελαφρών μποζονίων, όμως η κατάσταση μπορεί να αλλάξει με βελτιώσεις τόσο των ανιχνευτών όσο και των θεωρητικών μοντέλων που χρησιμοποιούνται για να αναλύσουν τις κυματομορφές που ανιχνεύονται.

Πηγή: American Physical Society

Περισσότερα στη δημοσίευση: Probing ultralight bosons with binary black holes. Physical Review D.