Атом в небе. Если бы новые сверхлегкие частицы существовали, черные дыры были бы окружены облаком таких частиц, которое ведет себя удивительно похоже на облако электронов в атоме. Когда другой тяжелый объект закручивается по спирали и в конце концов сливается с черной дырой, гравитационный атом ионизируется и испускает частицы точно так же, как испускаются электроны, когда свет падает на металл. Предоставлено: Институт физики УвА.

Обычно считается, что черные дыры поглощают все формы материи и энергии, окружающие их. Однако уже давно известно, что они также могут терять часть своей массы в результате процесса, называемого сверхизлучением. Хотя известно, что это явление происходит, оно эффективно только в том случае, если в природе существуют новые, до сих пор ненаблюдаемые частицы с очень малой массой, как это предсказывает несколько теорий, выходящих за рамки Стандартной модели физики элементарных частиц.

Ионизирующие гравитационные атомы

Когда масса извлекается из черной дыры с помощью сверхизлучения, она образует большое облако вокруг черной дыры, создавая так называемый гравитационный атом. Несмотря на неизмеримо больший размер гравитационного атома, сравнение с субмикроскопическими атомами является точным из-за сходства черной дыры и ее облака с привычной структурой обычных атомов, где облака электронов окружают ядро ​​из протонов и нейтронов.

В публикации, появившейся на этой неделе в Physical Review Letters, группа, состоящая из физиков Университета Южной Америки Дэниела Баумана, Джанфранко Бертоне и Джованни Мария Томаселли, а также физика из Гарвардского университета Джона Стаута, предполагает, что аналогия между обычными и гравитационными атомами лежит глубже, чем просто сходство по структуре. Они утверждают, что это сходство на самом деле может быть использовано для открытия новых частиц с помощью грядущих интерферометров гравитационных волн.

В новой работе исследователи изучили гравитационный эквивалент так называемого «фотоэлектрического эффекта». В этом хорошо известном процессе, который, например, используется в солнечных элементах для получения электрического тока, обычные электроны поглощают энергию падающих частиц света и таким образом выбрасываются из материала — атомы «ионизируются». В гравитационном аналоге, когда гравитационный атом является частью двойной системы из двух тяжелых объектов, его возмущает присутствие массивного компаньона, которым может быть вторая черная дыра или нейтронная звезда. Так же, как электроны в фотоэффектепоглощать энергию падающего света, облако сверхлегких частиц может поглощать орбитальную энергию спутника, так что часть облака выбрасывается из гравитационного атома.  

Поиск новых частиц

Команда продемонстрировала, что этот процесс может кардинально изменить эволюцию таких бинарных систем, значительно сократив время, необходимое компонентам для слияния друг с другом. Более того, ионизация гравитационного атома усиливается на очень специфических расстояниях между двойными черными дырами , что приводит к резким особенностям гравитационных волн, которые мы обнаруживаем при таких слияниях. Будущие интерферометры гравитационных волн — машины, подобные детекторам LIGO и Virgo, которые за последние несколько лет показали нам первые гравитационные волны от черных дыр — могли наблюдать эти эффекты. Обнаружение предсказанных особенностей гравитационных атомов предоставит убедительные доказательства существования новых сверхлегких частиц.