Łączenie się czarnych dziur może ujawnić nowe cząstki fale grawitacyjnealbo poprzez jonizację, albo określone zmiany orbity. Oferuje to nowe strategie poszukiwania ultralekkich cząstek.
W artykule opublikowanym niedawno w Listy z przeglądu fizycznegofizycy z Amsterdamu i Kopenhagi proponują szczegółowe obserwacje łączenia czarna dziura pary mogą ujawnić informacje o potencjalnych nowych cząstkach. Badania opierają się na szeregu ostatnich odkryć dokonanych przez naukowców zajmujących się promieniowaniem UVA w ciągu ostatnich sześciu lat.
Fale grawitacyjne emitowane w wyniku połączenia dwóch czarnych dziur niosą szczegółowe informacje o kształcie i ewolucji orbit składników. Nowe badanie przeprowadzone przez fizyków Giovanniego Marię Tomaselli i Gianfranco Bertone z Uniwersytetu w Amsterdamie (UvA) wraz z byłym mistrzem UVA Thomasem Spieksmą, obecnie pracującym w Instytucie Nielsa Bohra w Kopenhadze, sugeruje, że uważna analiza tych informacji może ujawnić istnienie nowych cząstek w przyrodzie.
Superradiacja
Mechanizm umożliwiający wykrywanie nowych cząstek nazywa się superradiacja czarnej dziury. Kiedy czarna dziura wiruje wystarczająco szybko, może oddać część swojej masy w otaczającą ją „chmurę” cząstek. Układ czarna dziura-chmura nazywany jest „grawitacyjnym”. atom’, ze względu na podobieństwo do chmury elektronów wokół protonu. Ponieważ superradiacja jest skuteczna tylko wtedy, gdy cząstki są znacznie lżejsze niż te zmierzone w dotychczasowych eksperymentach, proces ten zapewnia wyjątkową okazję do zbadania istnienia nowych cząstek zwanych ultralekkimi bozonami, których istnienie może rozwiązać kilka zagadek astrofizyki, kosmologii i fizyka cząstek.
Ewolucja orbitalna podwójnych czarnych dziur w obecności ultralekkich obłoków bozonowych była badana przez naukowców zajmujących się promieniowaniem UVA w serii wpływowych artykułów na przestrzeni ostatnich sześciu lat. Jednym z nowych, ważnych zjawisk, które odkryto, było to przejścia rezonansowegdzie chmura „przeskakuje” z jednego stanu do drugiego, podobnie jak elektron w zwykłym atomie może przeskakiwać między orbitami.
Kolejnym nowym zjawiskiem, ponownie podobnym do zachowania zwykłych atomów, jest jonizacjagdzie część chmury zostaje wyrzucona. Obydwa te efekty pozostawiają charakterystyczne ślady na emitowanych falach grawitacyjnych, jednak szczegóły tych śladów zależą od – nieznanego dotąd – stanu obłoku cząstek. Próbując uzupełnić pozostałe szczegóły, nowe badanie łączy wszystkie poprzednie wyniki i śledzi historię układu od powstania podwójnej czarnej dziury do połączenia czarnych dziur.
Dwie możliwości
Główne wnioski znacznie poprawiają naszą wiedzę na temat podwójnych atomów grawitacyjnych. Naukowcy odkryli, że istniały dwa możliwe wyniki ewolucji takiego systemu, oba równie interesujące. Jeśli czarne dziury i obłok początkowo obracają się w przeciwnych kierunkach, wówczas obłok przetrwa w stanie pierwotnie wywołanym superpromieniowaniem i staje się wykrywalny dzięki swojej jonizacji, która pozostawia wyraźny ślad na falach grawitacyjnych. We wszystkich pozostałych przypadkach przejścia rezonansowe całkowicie niszczą chmurę, a orbita układu podwójnego uzyskuje bardzo specyficzne wartości mimośrodu i nachylenia, które można zmierzyć na podstawie sygnału fal grawitacyjnych.
Zatem nowy wynik zapewnia nowatorską i solidną strategię poszukiwania nowych cząstek, albo poprzez wykrycie efektów jonizacji w kształtach fal grawitacyjnych w jednym przypadku, albo w drugim przypadku poprzez obserwację anomalnego nadmiaru układów o przewidywanych wartościach mimośrodu i nachylenie. W obu przypadkach nadchodzące szczegółowe obserwacje fal grawitacyjnych ujawnią bardzo interesujące informacje na temat istnienia nowych ultralekkich cząstek.
Odniesienie: „Legacy of Boson Clouds on Black Hole Binaries” autorstwa Giovanniego Marii Tomaselli, Thomasa FM Spieksma i Gianfranco Bertone, 16 września 2024 r., Listy z przeglądu fizycznego.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.121402
