В недавно опубликованной статье в журнале Physical Review Letters, физики из Амстердама и Копенгагена предположили, что детальное наблюдение за слиянием пар чёрных дыр может помочь раскрыть информацию о существовании новых частиц. Исследование объединяет несколько открытий, сделанных учёными Амстердамского университета (UvA) за последние шесть лет.
Гравитационный атом
Физики считают, что гравитационные волны, испускаемые при слиянии двух чёрных дыр, содержат информацию о форме и эволюции орбит этих объектов. Новое исследование, проведённое Джованни Марией Томазелли и Джанфранко Бертоне из Амстердамского университета, а также бывшим студентом UvA Томасом Спиксмой, предполагает, что анализ этих волн может открыть новые, ранее неизвестные частицы природы.
Суперрадиация
Механизм, позволяющий обнаружить эти новые частицы, называется суперрадиацией чёрной дыры. Когда чёрная дыра вращается достаточно быстро, она может “сбрасывать” часть своей массы, создавая облако частиц вокруг себя. Эта система, состоящая из чёрной дыры и облака частиц, называется “гравитационным атомом” по аналогии с электроном, вращающимся вокруг протона в обычном атоме. Этот процесс может стать уникальной возможностью для изучения существования новых ультралёгких бозонов, которые могут объяснить многие загадки астрофизики, космологии и физики частиц.
Орбитальная эволюция
Исследования показали, что ультралёгкие бозоны влияют на орбитальную эволюцию бинарных чёрных дыр, создавая уникальные явления. Одно из них — резонансные переходы, когда облако частиц «перескакивает» из одного состояния в другое. Другое явление — ионизация, при которой часть облака выбрасывается в пространство. Оба этих эффекта оставляют характерные следы на гравитационных волнах, что может помочь в выявлении этих новых частиц.
Две возможности
Учёные пришли к выводу, что существует два возможных исхода эволюции таких систем. В первом случае, если чёрные дыры и облако вращаются в противоположных направлениях, облако сохраняется и становится заметным благодаря ионизации, оставляющей след на гравитационных волнах. Во втором случае, резонансные переходы полностью разрушают облако, а орбита бинарной системы приобретает специфические значения эксцентриситета и наклона, которые могут быть измерены через гравитационные волны.
Таким образом, это исследование предлагает новую стратегию поиска ультралёгких частиц — через обнаружение ионизационных эффектов или аномальных значений эксцентриситета и наклона орбит. Ожидаемые будущие наблюдения гравитационных волн помогут пролить свет на вопрос о существовании новых частиц.