Sygnały grawitacyjne mogą pomóc w przyszłości zmierzyć lepkość ciemnej materii

Gdyby fale grawitacyjne podróżowały przez ośrodek wypełniony lepką ciemną materią, wówczas amplituda fali byłaby (słabo) tłumiona. Analiza tego efektu mogłaby rzucić nowe światło na naturę ciemnej materii - przekonuje prof. Marek Biesiada (z Zakładu Astrofizyki NCBJ) wraz z chińskimi współpracownikami w pracy opublikowanej w czasopiśmie Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters.

Ciemna materia stanowi przeważającą część masy galaktyk i ich gromad, jednak jej natura fizyczna pozostaje wciąż nieznana. Istnieją poważne argumenty na rzecz tezy, że rozwiązania należy szukać w istnieniu nieodkrytych jeszcze cząstek elementarnych. Cząstki takie wykraczałyby poza Model Standardowy i jedyne co o nich wiemy (oprócz posiadania masy), to fakt iż powinny bardzo słabo oddziaływać ze znanymi cząstkami, a w szczególności ze światłem (fotonem). W przeciwnym razie już dawno wiedzielibyśmy o ich istnieniu i znalibyśmy ich naturę. Oczywiście, nie wyklucza to potencjalnie bogatej fenomenologii ich wzajemych oddziaływań. Jednym z przejawów takiej fenomenologii w skalach kosmicznych może być efektywna lepkość ciemnej materii. Przyjęcie takiej hipotezy rozwiązywałoby w naturalny sposób pewne problemy, jakie pojawiły się w symulacjach powstawania galaktyk opartych na założeniu nieoddziałującej ciemnej materii. Na przykład symulacje te przewidują, że galaktyka podobna do naszej powinna mieć znacznie więcej galaktyk satelitarnych niż obserwujemy w rzeczywistości, oraz że profil gęstości ciemnego halo powinien być znacznie bardziej stromy i skoncentrowany centralnie niż jest faktycznie.

Z kolei udane detekcje fal grawitacyjnych w ziemskich obserwatoriach otwarły nowe okno na wszechświat. Koalescencje układów podwójnych czarnych dziur, gwiazd neutronowych lub ich mieszanych zestawów dostarczają możliwości bezpośredniego pomiaru odległości jedynie na podstawie analizy czasowej ewolucji amplitudy fal grawitacyjnych. Typowo zakłada się, że fale grawitacyjne przychodzące do nas z odległych źródeł nie są tłumione, a zatem zmierzona przy ich pomocy odległość jest równa tzw. odległości jasnościowej, którą moglibyśmy zmierzyć przy pomocy świec standardowych (takich jak cefeidy czy supernowe Ia). Sytuacja może się zmienić, gdyby fale grawitacyjne podróżowały przez ośrodek lepki. Wówczas amplituda fali byłaby (słabo) tłumiona. Zatem porównanie tych dwóch rodzajów odległości mogłoby doprowadzić do zmierzenia lepkości ciemnej materii i rzucić nowe światło na jej naturę. Jednak nie jest łatwo wskazać realistyczny obserwacyjnie scenariusz przeprowadzenia takiego pomiaru.

W niedawno opublikowanej pracy, która ukazała się w MNRAS Letters, prof. Marek Biesiada (NCBJ) wraz ze współpracownikami z Chin zaproponowali pomysłową metodę przeprowadzenia powyższego testu wykorzystując silnie soczewkowane sygnały grawitacyjne. Pomiar opóźnień czasowych między soczewkowanymi sygnałami dostracza pomiaru pewnej kombinacji odległości pomiędzy źródłem i soczewką. Na pomiar ten nie wpływa lepkość ośrodka. Z drugiej strony tą samą kombinację odległości można będzie odtworzyć z pomiarów odległości nie-soczewkowanych fal grawitacyjnych ze źródeł o takich samych przesunięciach ku czerwieni jak elementy soczewki. Te z kolei będą niosły informację o tłumieniu indukowanym lepkością. Ich porównanie stanowi test.

Realistyczne symulacje przyszłych danych z obserwatoriów grawitacyjnych trzeciej generacji (np. Teleskop Ensteina) pokazują, że będzie możliwy pomiar lepkości ciemnej materii z dokładnością pozwalającą na jej detekcję, gdyby była odpowiedzialna za rozwiązanie omówionych wyżej problemów nieoddziałującej ciemnej materii. Pomiar taki przełoży się również na oszacowanie przekroju czynnego samo-oddziaływania ciemnej materii.

Link do oryginalnej pracy: https://academic.oup.com/mnrasl/article-abstract/502/1/L16/6050761?redir...