Sudar crnih rupa možda je ostavio prvi trag tamne tvari u gravitacijskim valovima

Tamna tvar ne emitira svjetlost, ne upija je i ne ostavlja izravan trag u teleskopima. No novi rad fizičara pokazuje da bi se njezin utjecaj možda mogao prepoznati u gravitacijskim valovima nastalima pri spajanju crnih rupa.

Istraživači s MIT-a i nekoliko europskih sveučilišta razvili su metodu za traženje takvih tragova u podacima mreže LIGO-Virgo-KAGRA. Među 28 najčišćih analiziranih signala izdvojio se jedan događaj, GW190728, koji se ne uklapa sasvim u uobičajenu sliku spajanja crnih rupa u gotovo praznom prostoru.

U središtu rada nije tvrdnja da je tamna tvar napokon pronađena, nego nova metoda za prepoznavanje njezina mogućeg utjecaja. Istraživači su pokazali kako bi se sudari crnih rupa mogli razlikovati ako se dogode u području bogatom određenim oblicima tamne tvari. Jedan stvarni signal iz 2019. godine pokazuje upravo takvo moguće odstupanje, ali rezultat zasad ostaje trag za daljnju provjeru, a ne otkriće.

Signal koji se ne ponaša sasvim očekivano

Gravitacijski valovi nastaju kada se izrazito masivni objekti, poput crnih rupa, ubrzano gibaju i pritom mijenjaju prostorvrijeme. Kada dvije crne rupe kruže jedna oko druge, približavaju se i naposljetku spoje, nastaje prepoznatljiv signal koji detektori na Zemlji mogu izmjeriti.

U većini dosadašnjih analiza pretpostavlja se da se takva spajanja događaju u gotovo praznom prostoru. To je jednostavan i uspješan model, a dobro opisuje velik dio zabilježenih događaja.

No nova studija postavlja drukčije pitanje: što ako se neke crne rupe spajaju u području u kojem je tamna tvar dovoljno gusta da promijeni oblik gravitacijskog vala?

Tim je analizirao podatke iz prva tri promatračka ciklusa mreže LIGO-Virgo-KAGRA. Od 28 najjasnijih signala, njih 27 dobro se uklopilo u standardni model spajanja u vakuumu. Jedan događaj, GW190728, pokazao je drugačiji obrazac. Njegov se signal bolje slagao s modelom u kojem se crne rupe spajaju u okolišu bogatom tamnom tvari.

To nije dokaz da je tamna tvar otkrivena. Autori rada jasno naglašavaju da statistička sigurnost nije dovoljna za takvu tvrdnju. No rezultat je važan jer pokazuje da bi se u postojećim i budućim podacima mogli tražiti tragovi koje dosad nismo znali prepoznati.

Što znamo o signalu GW190728

GW190728 ime je dobio po datumu kada je zabilježen, 28. srpnja 2019. Riječ je o gravitacijskom valu nastalom spajanjem dviju crnih rupa čija je ukupna masa bila oko 20 puta veća od Sunčeve.

Na prvi pogled to nije najdramatičniji događaj u katalogu gravitacijskih valova. Upravo je zato zanimljiv. Signal nije izdvojen zato što je bio najveći ili najsnažniji, nego zato što se njegov oblik u novoj analizi bolje podudarao s modelom u kojem se spajanje odvilo u gušćem okruženju tamne tvari.

Takva razlika ne mora značiti da je tamna tvar doista ostavila potpis u signalu. Moguće su i druge interpretacije, a sama statistika nije dovoljno jaka za veliko otkriće. No GW190728 sada postaje testni slučaj za pitanje koje dosad nije bilo moguće ozbiljno otvoriti: mogu li gravitacijski valovi otkriti tamnu tvar oko crnih rupa?

Zašto su crne rupe važne u potrazi za tamnom tvari

Tamna tvar jedno je od najvećih otvorenih pitanja moderne fizike. Ne vidi se u svjetlosti, ne ponaša se kao obična materija i zasad je poznajemo gotovo isključivo preko njezina gravitacijskog učinka.

Astronomi na njezino postojanje zaključuju iz gibanja galaksija, gravitacijskog lećenja i rasporeda materije na velikim kozmičkim mjerilima. Prema današnjim procjenama, tamna tvar čini više od 85 posto ukupne materije u svemiru. Ipak, nitko još ne zna od čega se sastoji.

Jedna skupina teorijskih modela predlaže da bi tamnu tvar mogle činiti iznimno lagane skalarne čestice, mnogo lakše od elektrona. U blizini crnih rupa takva se tamna tvar ne bi ponašala samo kao skup čestica, nego i kao valno polje.

Tu crne rupe postaju posebno zanimljive. Ako se takvo polje nađe oko brzo rotirajuće crne rupe, dio rotacijske energije crne rupe mogao bi prijeći na tamnu tvar. Taj proces, poznat kao superradijacija, mogao bi povećati gustoću tamne tvari u okolnom prostoru.

Drugim riječima, crne rupe bi mogle prirodno pojačati prisutnost određenih oblika tamne tvari. Ako se dvije crne rupe potom spoje u takvom okolišu, gravitacijski val koji nastane mogao bi se malo razlikovati od vala proizvedenog u gotovo praznom prostoru.

Otisak koji se traži u obliku vala

Kako bi provjerili tu mogućnost, istraživači su izradili modele gravitacijskih valova za različite sustave dviju crnih rupa. U simulacijama su mijenjali mase crnih rupa, njihova svojstva, udaljenost od Zemlje i gustoću tamne tvari u okolini.

Zatim su uspoređivali dva scenarija. U prvom se crne rupe spajaju u vakuumu. U drugom se spajanje događa u području u kojem tamna tvar utječe na signal.

Takav pristup ne traži svjetlost, sjaj ni spektar. Trag tamne tvari traži se u samom obliku gravitacijskog vala: u njegovu trajanju, ritmu i odstupanju od očekivanog obrasca.

Događaj GW190728 posebno se izdvojio. Zabilježen je 28. srpnja 2019., a ranije analize pokazale su da potječe od spajanja dviju crnih rupa ukupne mase oko 20 Sunčevih masa. Prema novom modelu, takav sustav mogao je proći kroz gust oblak tamne tvari i proizvesti signal sličan onome koji je izmjeren.

No ključna riječ ostaje “mogao”. Jedan signal nije dovoljan za veliko otkriće. Potrebne su neovisne provjere, dodatni podaci i veći broj sličnih događaja.

Zašto ovo još nije otkriće tamne tvari

U fizici jedan neobičan signal nije dovoljan za zaključak. Detektori gravitacijskih valova mjere iznimno slabe promjene, a svaki signal treba odvojiti od šuma, modelskih pretpostavki i drugih mogućih objašnjenja.

Zato autori rada naglašavaju da GW190728 nije dokaz tamne tvari. Njegova je vrijednost u tome što pokazuje da nova metoda može pronaći događaje koji vrijede dodatne provjere. Ako se isti obrazac pojavi u većem broju budućih signala, rasprava će postati mnogo ozbiljnija.

Oprez je ovdje posebno važan jer je tamna tvar jedno od najvećih neriješenih pitanja u znanosti. Zbog toga razlika između “mogućeg traga” i “otkrića” nije samo stilska nijansa, nego temeljna znanstvena granica.

Nova potraga u starim podacima

Posebno je zanimljivo što istraživači nisu morali čekati novi detektor ili novu svemirsku misiju. Metodu su primijenili na već objavljene podatke mreže LIGO-Virgo-KAGRA. To znači da se potraga za tamnom tvari može djelomično voditi i u arhivi postojećih gravitacijskih valova.

Ako model bude potvrđen i proširen, svaki novi katalog sudara crnih rupa mogao bi postati i katalog mogućih okoliša u kojima su se ti sudari dogodili. Gravitacijski val tada ne bi govorio samo o masama crnih rupa, nego i o prostoru kroz koji su se kretale prije spajanja.

Kako LIGO, Virgo i KAGRA budu prikupljali nove podatke, ista metoda moći će se primijeniti na veći broj događaja. Ako se sličan obrazac ponovi, fizičari će imati snažniji razlog za raspravu o tamnoj tvari oko crnih rupa. Ako se ne ponovi, i to će biti važno jer će suziti prostor za neke teorijske modele.

Gravitacijski valovi tako postaju više od zapisa o sudarima crnih rupa. Mogli bi postati alat za istraživanje tvari koju ne možemo vidjeti, ali koja gravitacijom oblikuje svemir.

Ivan Petričević

Ivan je novinar i autor koji piše o znanosti, svemiru i povijesti. Gostuje kao stručni sugovornik na Science Discovery i History Channelu te piše za Večernji list. Osnivač je Kozmos.hr, prvog hrvatskog portala posvećenog popularizaciji znanosti.