Джонатан О'Каллаган – Ця стаття була вперше опублікована в Горизонт Журнал ЄС про дослідження та інновації.
У 2019 році в глибинах космосу спостерігалася дивна подія. Подія під назвою GW190521 випромінювала гравітаційні хвилі – невидимі брижі у Всесвіті – які були зафіксовані на Землі. Ці хвилі, ймовірно, ознаменували момент зіткнення та злиття двох масивних чорних дір, маси яких у десятки разів перевищують масу нашого Сонця. Принаймні, такою була початкова теорія.
Але що, якби було інше пояснення? Фізик Карлос Ердейру з Університету Авейру в Португалії очолює фінансовану ЄС дослідницьку ініціативу під назвою NewFunFiCO, яка досліджує альтернативи.
Команда NewFunFiCO об'єднує фізиків та астрофізиків з Іспанії, Португалії, Італії, Німеччини, Мексики, Бразилії та Китаю. Їхня мета — дослідити, чи можуть деякі гравітаційно-хвильові сигнали надходити від екзотичних об'єктів у космосі, існування яких теоретично передбачається, але які ще не спостерігалися безпосередньо.
«Прикордонні таємниці Всесвіту захоплюють», — сказав Гердейро. «А гравітаційні хвилі дають нам новий спосіб їх досліджувати».
Слухаючи брижі у просторі-часі
Команда використовує реальні дані з мережі LIGO-Virgo-KAGRA – глобальної системи надчутливих детекторів у США, Італії та Японії, які можуть вимірювати неймовірно крихітні спотворення простору-часу. У теорії Ейнштейна простір і час утворюють пов'язану тканину, яка лежить в основі нашого сприйняття того, де і коли все відбувається.
«Ці екзотичні об'єкти пов'язані з деякими глибокими таємницями фізики, такими як темна матерія».
Карлос Ердейро, NewFunFiCO
З моменту першого виявлення гравітаційних хвиль у 2015 році вчені виявили понад 150 пар чорних дір, що зливаються. Але їхня теорія полягає в тому, що в даних можуть ховатися й інші, більш екзотичні об'єкти.
Найновіша спостережувальна кампанія, відома як O4, тривало з травня 2023 року по листопад 2025 року та виявило близько 250 подій-кандидатів, багато з яких досі аналізуються.
«Ми все ще уважно вивчаємо дані», — сказав Ніко Санчіс-Гуаль з Університету Валенсії, один із керівників проєкту. «Можливо, є сигнали, які не зовсім відповідають нашим очікуванням від чорних дір».
Теорія бозонної зірки
Серед найцікавіших кандидатів, що досліджуються, є бозонні зірки – гіпотетичні надкомпактні об'єкти, які здалеку можуть виглядати як чорні діри. Однак у них немає горизонту подій, межі чорної діри, з якої ніщо, навіть світло, не може вийти. Ззовні вони виглядали б дещо розмитими, але всередині були б повні частинок темної матерії.
Бозонні зірки можуть складатися з надлегкої темної матерії, можливо, з невидимих субатомних частинок, які називаються аксіонами, і які були б у трильйони й трильйони разів легшими за електрон.
Вивчення можливості існування об'єкта розміром з планету, з масою, подібною до Сонця, але дуже відмінною всередині, захопило дослідників. «Це приголомшливо», – сказав Санчіс-Гуаль.
Якщо вони існують, то можливо, що вони час від часу стикаються та зливаються разом, як це роблять чорні діри розміром із зірки, створюючи виявлювані гравітаційні хвилі. Саме тут і з'являється команда NewFunFiCO, намагаючись знайти сигнал, який ми очікуємо від такої події, в даних LIGO.
GW190521 може бути прикладом такої події. «Якби дві з них зіткнулися, вони б створили сигнал гравітаційної хвилі, який трохи краще відповідає цьому конкретному сигналу, ніж дві чорні діри», — сказав Гердейро.
Підказки щодо темної матерії
Дослідники шукають не лише бозонні зірки. Є також змішані зірки. Наприклад, нейтронна зірка – щільний об'єкт, що залишається після вибуху зірки – має ядро з темної матерії, а також гравазірки – екзотичні об'єкти, що імітують чорні діри, але не мають такої ж структури в центрі та горизонту подій.
«Мета полягає в тому, щоб скористатися перевагами золотої ери спостережень гравітаційних хвиль, у якій ми живемо, та шукати об’єкти, які ніколи раніше не бачили, але які теоретично можуть існувати», – сказав Хердейро.
«Ці екзотичні об'єкти пов'язані з деякими глибокими таємницями фізики, такими як темна матерія».
Якщо це правда, то висновки вчених можуть змінити наше розуміння темної матерії та Всесвіту в цілому. Навіть якщо ні, це відкриває захопливі нові горизонти фізики, які раніше не були широко досліджені, і може бути способом розкриття дивних нових явищ у космосі.
На полюванні
Програма NewFunFiCO триватиме до кінця 2026 року, розпочавшись у 2023 році за фінансування, наданого програмою ЄС «Дії Марії Склодовської-Кюрі».
«Один з ключових аспектів тут полягає в тому, що ми залучаємо європейських партнерів до співпраці з неєвропейськими партнерами», – сказав Ердейро. Це означає обмін знаннями, а також культурою. «Саме тому фінансування ЄС було таким важливим. Воно надає світу іншого виміру».
«Можуть бути сигнали, які не зовсім відповідають нашим очікуванням від чорних дір».
Ніко Санчіс-Гуаль, NewFunFiCO
Переваги таких амбітних програм поширюються і на широку громадськість, додав Ердейро. «Чорні діри, космологія, початок Всесвіту – все це захоплює уяву людей», – сказав він.
Інші переваги економічні. «Великі експериментальні інфраструктури мають побічні ефекти, про які люди не знають», – сказав він, наводячи приклад того, як LIGO вимагає надзвичайно точних детекторів, що призвело до розробок у ширшій електроніці.
Прагнення виміряти крихітні спотворення простору-часу підняло лазерну інтерферометрію (вимірювання мізерних змін відстані за допомогою лазерного світла), складні системи віброізоляції та надточну оптику до безпрецедентного рівня чутливості.
Подібні технології зараз використовуються в таких галузях, як точне виробництво, медична візуалізація та навігаційні системи.
Однак найважливіший висновок полягає в тому, що у Всесвіті можуть бути дивні об'єкти, які знаходяться на межі відкриття, приховані скупчення темної матерії, що маскуються під зірки.
«Головне бачення зараз полягає в тому, що існує якась частинка темної матерії», — сказав Санчіс-Гуаль. «Тож це можливо».
Якщо буде підтверджено існування хоча б одного такого об'єкта, це дасть фізикам одну з перших реальних підказок щодо того, що таке темна матерія, і змінить те, як ми бачимо Всесвіт.
Дослідження, представлене в цій статті, було профінансовано програмою Дій Марії Склодовської-Кюрі (MSCA). Думки респондентів не обов’язково відображають погляди Європейської Комісії. Якщо вам сподобалася ця стаття, будь ласка, поділіться нею в соціальних мережах.
