O anumită formă de materie întunecată – bosoni cu mase foarte mici – ar avea ca efect încetinirea rotației unei găuri negre.
Materia întunecată
Materia întunecată este la ora actuală un mare mister: ea ar fi cea care face ca stelele din periferia galaxiilor să aibă o rotație mai rapidă decât ar fi de așteptat considerând doar forța gravitațională exercitată de materia vizibilă. În același timp, materia întunecată ar fi și acea materie care funcționează că o lentilă gravitațională mai puternică decât cea dată de materia normală, deformând geometria spațiului și a timpului.
Se crede că această materie întunecată ar fi compusă din particule încă nedescoperite – particule cu masă foarte mare sau, dimpotrivă, foarte mică. Mai multe experimente, atât la acceleratoarele de particule, cât și în laboratoarele subterane încearcă să le descopere. La acceleratoare se încearcă acest lucru prin ciocniri de mare energie a fasciculelor; în laboratoarele subterane se încearcă măsurarea materiei întunecate care ajunge din spațiu.
Materia întunecată ar putea să fie însă compusă din particule de tip boson (adică spin întreg sau zero), precum axionii. Aceștia ar avea o masă atât de mică, încât ar fi imposibil de măsurat cu tehnologiile actuale. Din acest motiv se caută noi metode pentru a măsura indirect efectele existenței acestor bosoni cu masă extrem de mică. Unul dintre ele ar fi încetinirea rotației găurilor negre.
Găurile negre și efectele bosonilor de masă mică
Găurile negre reprezintă, la rândul lor, un mare mister: nu știm ce se găsește în interiorul lor, întrucât nimic nu poate ieși dintr-o gaură neagră – nici măcar lumina. Le putem totuși studia fie prin radiația materiei înghițite, fie prin măsurarea undelor gravitaționale emise de sistemele binare de găuri negre care se rotesc una în jurul celeilalte și care, într-un final, se unesc într-o unică gaură neagră cu masa mai mare. Parte din masa inițială a găurilor negre este transformată în energia undelor gravitaționale. Undele gravitaționale ne dau informații despre masa găurilor negre și rotația lor. Ei bine, rotația unei găuri negre ar putea avea de suferit dacă există bosoni cu mase extrem de mici.
Prin efecte cuantice (superradianța) bosonii ar duce la încetinirea vitezei de rotație. Așadar, măsurarea rotației găurilor negre poate să ne ajute să detectăm indirect materia întunecată sau să punem limite asupra masei bosonilor de materie întunecată.
Undele gravitaționale LIGO-VIRGO
Până în prezent antenele gravitaționale LIGO și VIRGO au măsurat zeci de ciocniri de găuri negre cu mase între 10 și 70 de ori cea a Soarelui. Cele 45 de evenimente măsurate au fost studiate în detaliu pentru a se găsi eventuale urme ale efectelor materiei întunecate. Rezultatele studiului au fost publicate recent într-un articol în Physical Review Letters.
Două dintre evenimentele studiate au stârnit interesul cercetătorilor: GW190412 și GW190517, care au o viteză de rotație foarte mare. Dacă bosoni cu mase ultra-mici ar exista, atunci rotația acestor găuri negre ar fi trebuit să fie de circa două ori mai mică. Precum vampirii, bosonii ar trebui să consume rotația găurilor negre.
Limite asupra masei bosonilor de materie întunecată
În final, în urma acestui studiu, au fost eliminați bosonii cu mase în intervalul (1.3-2.7) x 10 la puterea -13 electronvolți (eV)! O masă extrem de mică – multe miliarde de ori mai mică decât masa electronului. Totuși, acesta nu este decât începutul, întrucât masa acestor bosoni ar putea fi cuprinsă într-un interval mult mai extins: între 10 la puterea -33 eV și 10 la puterea -6 eV. Mai este încă mult de studiat! Totuși, această cercetare arată cum procesele cosmice pot contribui în fizica particulelor elementare, în mod specific în căutarea materiei întunecate.
