Fale grawitacyjne mogą ujawnić ukrytą materię wokół czarnych dziur

Po połączeniu dwóch czarnych dziur powstały obiekt przez krótki czas „dzwoni” jak uderzony dzwon. Ta faza, nazywana ringdownem lub fazą wygasających drgań, jest jednym z najczystszych testów tego, czy pozostałość po zderzeniu zachowuje się jak próżniowa czarna dziura przewidywana przez ogólną teorię względności — czy też ślad zostawiają materia, pola albo inna nowa fizyka.

Najważniejsze zastrzeżenie brzmi: fale grawitacyjne nie wykryły dotąd ukrytej materii wokół czarnych dziur. Rozwijane metody mają raczej zamienić czarne dziury w laboratoria fizyki fundamentalnej. Obejmują analizę krótkich sygnałów po zderzeniu, przyszłe obserwacje masywnych czarnych dziur przez misję LISA oraz nanohertzowe tło fal grawitacyjnych badane za pomocą pulsarów.

Ringdown: nasłuchiwanie „włosów” czarnej dziury

Według ogólnej teorii względności odizolowaną, obracającą się czarną dziurę Kerra opisują jej masa i spin. Jej wygasające drgania można przedstawić jako zestaw tłumionych oscylacji, czyli modów quasi-normalnych. Część rzeczywista zespolonej częstotliwości modu określa tempo oscylacji, a część urojona — szybkość zaniku sygnału. 20

Badacze z Uniwersytetu w Nagoi zaproponowali test, w którym odchylenia obu tych wielkości mogą wskazywać na efektywne „włosy” czarnej dziury: dodatkową strukturę związaną z otaczającą materią, egzotycznymi polami albo niepróżniową czasoprzestrzenią.

W ich podejściu istotne są trzy kwestie:

• Częstotliwość i tłumienie nie muszą zmieniać się tak samo. Środowisko materii może inaczej przesunąć częstotliwość drgań, a inaczej tempo ich wygasania. Równoczesny pomiar obu cech dostarcza więcej informacji niż test oparty na jednej liczbie.
• Liczy się nie tylko ilość materii. Przewidywane przesunięcia zależą również od jej rozkładu — w tym konfiguracji gęstości i ciśnienia. Różne otoczenia zmieniają bowiem potencjał czasoprzestrzenny, który „odczuwa” oscylujące zaburzenie.
• Obrót daje dodatkowy podpis kierunkowy. W modelach wirujących czarnych dziur materia poruszająca się zgodnie z ich obrotem oraz materia krążąca przeciwnie mogą w odmienny sposób wpływać na częstotliwość i tłumienie. To pozwala porównywać alternatywne modele rozkładu materii i geometrii wirującej czarnej dziury.

Nie jest to jednak bezpośrednie „zobaczenie” materii, lecz wybór między modelami. Nietypowy ringdown sam w sobie nie dowodziłby istnienia ciemnej materii ani nie potwierdzał konkretnej teorii zmodyfikowanej grawitacji. Interpretację mogą utrudniać niedokładności modeli fal, precesja spinów w układzie podwójnym i ograniczony stosunek sygnału do szumu. Sama precesja może zmieniać efektywne częstotliwości ringdownu mierzone w układzie odniesienia detektora. 17

LISA i dwie drogi do ultralekkich bozonów

Planowana przez ESA misja LISA — Laser Interferometer Space Antenna — ma rejestrować fale grawitacyjne o znacznie niższych częstotliwościach niż obserwatoria naziemne. Jej ważnym celem będą zderzenia masywnych czarnych dziur. To czyni ją obiecującym narzędziem do szukania ultralekkich bozonów poprzez zjawisko superradiancji czarnych dziur.

W tym scenariuszu bozon o odpowiedniej masie może odbierać energię obrotu szybko wirującej czarnej dziurze i tworzyć wokół niej grawitacyjnie związany obłok. Badacze wskazują na dwa możliwe sygnały fal grawitacyjnych.

1. Nietypowy wzór w masach i spinach czarnych dziur

Superradiancja może spowalniać obrót czarnych dziur w zakresach mas wyznaczonych przez masę bozonu. W dużej próbce obserwacyjnej mogłoby to objawić się ostrymi cechami, ubytkami lub nagromadzeniami obiektów na wykresie mas i spinów masywnych czarnych dziur.

Prognozy oparte na trzech scenariuszach populacji masywnych czarnych dziur — z założeniami o lekkich i ciężkich zalążkach — wskazują, że pomiary spinów przez LISA mogłyby ograniczać masy bozonów skalarnych mniej więcej w przedziale od (5 \times 10^{-18}) do (10^{-14}) eV. Dokładna czułość jest inna dla bozonów skalarnych i wektorowych, a także zależy od przyjętego modelu populacji czarnych dziur.

To ważne zastrzeżenie: prawdopodobieństwo wykrycia nie zależy wyłącznie od własności bozonu. Zależy też od liczby zderzeń masywnych czarnych dziur, ich mas, spinów i przesunięć ku czerwieni oraz od tego, jak często zderzenie pozostawi obiekt dogodny do dalszych obserwacji.

2. Długotrwała fala po zderzeniu

Obłok bozonów wokół pozostałości po zderzeniu może emitować po krótkim błysku zderzenia i ringdownu niemal monochromatyczny, utrzymujący się sygnał fal grawitacyjnych. Jest to inny cel niż spektroskopia ringdownu: zamiast szukać subtelnej zmiany w krótkotrwałym przebiegu fali, badacze chcieliby wykryć długotrwałą emisję samego obłoku.

Brak takiego sygnału ograniczałby zatem łącznie własności bozonów, spiny czarnych dziur i historię ich powstawania — nie wykluczałby automatycznie wszystkich wariantów modeli ultralekkich bozonów.

Co już wnosi katalog GWTC-5.0

Katalog LIGO–Virgo–KAGRA GWTC-5.0 dodał 161 istotnych sygnałów od zwartych układów podwójnych z okresu obserwacyjnego O4b. Łącznie katalog obejmuje 390 detekcji od pierwszej obserwacji w 2015 roku. 123

Te zdarzenia nie stanowią dowodu ani na „włosy” czarnych dziur, ani na sygnał od ultralekkich bozonów. Ich wartość jest kumulatywna: większe katalogi poprawiają pomiary mas i spinów, pozwalają lepiej opisywać populacje czarnych dziur, udoskonalać modele fal oraz łączyć informacje z wielu zdarzeń.

Obserwatoria naziemne badają przede wszystkim zderzenia obiektów o masach gwiazdowych. LISA ma rozszerzyć ten program na masywne czarne dziury i niższe częstotliwości. Analizy ringdownu dotyczą sekund lub minut po pojedynczym zderzeniu, zaś tablice czasowania pulsarów badają nanohertzowe sygnały narastające przez lata. To metody wzajemnie się uzupełniające, a nie zamienne.

Pulsary i egzotyczne początki czarnych dziur

Tablice czasowania pulsarów monitorują bardzo małe, skorelowane zmiany czasu nadejścia impulsów od szybko obracających się gwiazd neutronowych. Zgłaszane przez takie zespoły przesłanki istnienia stochastycznego tła fal grawitacyjnych w paśmie nanohertzowym najczęściej interpretuje się jako efekt kosmicznej populacji spiralnie zbliżających się par supermasywnych czarnych dziur.

To tło można też wykorzystać do testowania bardziej spekulacyjnych scenariuszy z wczesnego Wszechświata. Jedna z propozycji rozważa, czy czarne dziury powstałe z hipotetycznych supermasywnych ciemnych gwiazd — obiektów zasilanych częściowo procesami związanymi z ciemną materią — mogłyby istotnie współtworzyć to tło i pomagać wyjaśnić zalążki wczesnych supermasywnych czarnych dziur. To propozycja, a nie ustalone wyjaśnienie.

Również inne możliwości — nietypowe wczesne populacje czarnych dziur, pierwotne czarne dziury, struny kosmiczne czy przejścia fazowe — można oceniać na podstawie przewidywanych częstości zderzeń, rozkładów mas i spinów, ewolucji z przesunięciem ku czerwieni, sygnałów trwałych oraz widma stochastycznego tła.

Najważniejszy wniosek

Najmocniejsze przyszłe ograniczenia wynikną raczej z porównania wielu obserwowalnych cech niż z jednego niezwykłego zdarzenia:

1. Częstotliwość i tłumienie ringdownu pozwolą sprawdzać, czy pojedyncza pozostałość jest zgodna z próżniową czarną dziurą Kerra.
2. Rozkłady mas i spinów mogą ujawnić ślady superradiancji albo innej nowej fizyki w ewolucji czarnych dziur.
3. Trwałe fale będą bezpośrednim celem poszukiwań obłoków bozonowych.
4. Nanohertzowe tło może testować historię formowania się największych czarnych dziur we Wszechświecie.

Razem te pomiary mogą pomóc odróżnić zwykłą złożoność astrofizyczną od rzeczywiście nowej fizyki. Obecnie dane świadczą przede wszystkim o szybko rosnącym arsenale metod badawczych — nie o potwierdzonym odkryciu ukrytej materii wokół czarnych dziur.