Тёмная материя крутит чёрные дыры экспресс
Сверхмассивная чёрная дыра плывёт в облаке тёмной материи. В привычной картине эта невидимая субстанция просто добавляет массу и почти не трогает обычное вещество. Но частицы тёмной материи могут обладать собственным вращением — спином. В расширении общей теории относительности, теории Эйнштейна–Картана, спин материи становится источником дополнительного скручивания пространства-времени. Авторы новой работы применили эту идею к экстремальным системам: маленький объект (чёрная дыра или нейтронная звезда) по спирали падает на гигантскую чёрную дыру, излучая гравитационные волны.
В их модели спин тёмной материи создаёт вокруг большой чёрной дыры не просто лишнее притяжение, а отталкивающую добавку. Она спадает с расстоянием как куб — очень резко, пропорционально 1/r³. Когда учёные решили уравнения для слабого гравитационного поля, выяснилась любопытная деталь: глобального возмущения вида 1/r³ не возникает. Вместо этого появляются более сложные поправки — логарифмический хвост и член, похожий на вклад массы, размазанной по радиусу. Поэтому исследователи предложили считать свою поправку не точным решением, а эффективным «заплаточным» потенциалом. Он работает только вблизи чёрной дыры.
Затем авторы вычислили, как такая деформация гравитации изменит орбиту и сигнал гравитационных волн. Они использовали упрощённую модель сигнала — так называемые аналитические клуджи (от англ. kludge — «заплатка», «времянка»). В идеализированном сценарии сдвиг фазы волны оказался большим — десятки и сотни радиан. Это значит, что будущий космический детектор LISA или его китайский аналог Taiji могли бы заметить разницу между обычной чёрной дырой и чёрной дырой, окружённой спиновой тёмной материей.
Однако сами учёные призывают к осторожности. Их расчёт не учитывает многие тонкости: вращение самой чёрной дыры, наклон орбиты, её некруглость, обратное влияние излучения на движение (self-force), а главное — реальный отклик детектора и возможное смешивание параметров. Поэтому результат стоит воспринимать не как предсказание, а как способ нащупать ограничения на свойства тёмной материи. Если сигнал от реальной системы не покажет таких сдвигов, значит, гипотетическая спиновая тёмная материя не может быть слишком плотной вокруг чёрных дыр.
Гравитационные волны от падения маленького объекта на сверхмассивную чёрную дыру будут «звучать» в космосе годами — до сотен тысяч циклов перед слиянием. Это похоже на очень медленное, но неумолимое нарастание звука скрипичной струны.