Hurtigt snurrende sorte huller indsnævrer søgen efter partikler af mørkt stof

Ultralette bosoner er hypotetiske partikler, hvis masse forudsiges at være mindre end en milliarddel af massen af ​​en elektron. De interagerer relativt lidt med deres omgivelser og har hidtil unddraget søgninger for at bekræfte deres eksistens. Hvis de findes, ultralette bosoner såsom aksioner ville sandsynligvis være en form for mørkt stof, det mystiske, usynlige ting, der udgør 85 procent af sagen i universet.

Nu, fysikere ved MIT's LIGO Laboratory har søgt efter ultralette bosoner ved hjælp af sorte huller-objekter, der er mind-bøjende størrelsesordener mere massive end partiklerne selv. Ifølge kvanteteoriens forudsigelser, et sort hul med en bestemt masse skulle trække i skyer af ultralette bosoner, som igen kollektivt skulle bremse et sort hulles spin. Hvis partiklerne eksisterer, så skulle alle sorte huller af en bestemt masse have relativt lave spins.

Men fysikerne har fundet ud af, at to tidligere opdagede sorte huller snurrer for hurtigt til at være blevet påvirket af ultralette bosoner. På grund af deres store spins, de sorte hullers eksistens udelukker eksistensen af ​​ultralette bosoner med masser mellem 1,3x10 ^-13 elektronvolt og 2,7x10 ^-13 elektronvolt - omkring en femtedel milliard massen af ​​en elektron.

Holdets resultater, udgivet i dag i Fysisk gennemgangsbreve , yderligere indsnævre søgningen efter aksioner og andre ultralette bosoner. Undersøgelsen er også den første til at bruge spins af sorte huller opdaget af LIGO og Jomfru, og gravitationsbølgedata, at lede efter mørkt stof.

"Der er forskellige typer bosoner, og vi har undersøgt en, "siger medforfatter Salvatore Vitale, adjunkt i fysik ved MIT. "Der kan være andre, og vi kan anvende denne analyse på det voksende datasæt, som LIGO og Virgo vil levere i løbet af de næste par år. "

Vitales medforfattere er hovedforfatter Kwan Yeung (Ken) Ng, en kandidatstuderende ved MIT's Kavli Institute for Astrophysics and Space Research, sammen med forskere ved Utrecht University i Holland og det kinesiske universitet i Hong Kong.

En karrusels energi

Der søges efter ultralette bosoner på tværs af et stort udvalg af superlysmasser, fra 1x10 ^-33 elektronvolt til 1x10 ^-6 elektronvolt. Forskere har hidtil brugt bordpladeeksperimenter og astrofysiske observationer for at udelukke skiver af dette store rum af mulige masser. Siden begyndelsen af ​​2000'erne har fysikere foreslog, at sorte huller kunne være et andet middel til at opdage ultralette bosoner, på grund af en effekt kendt som superradiance.

Hvis der findes ultralette bosoner, de kunne interagere med et sort hul under de rigtige omstændigheder. Kvanteteori antyder, at i meget lille skala, partikler kan ikke beskrives ved klassisk fysik, eller endda som individuelle objekter. Denne skala, kendt som Compton -bølgelængden, er omvendt proportional med partikelmassen.

Da ultralette bosoner er usædvanligt lette, deres bølgelængde forudsiges at være usædvanligt stor. For et bestemt masseområde af bosoner, deres bølgelængde kan sammenlignes med størrelsen på et sort hul. Når dette sker, superradiance forventes hurtigt at udvikle sig. Ultralette bosoner dannes derefter fra vakuumet omkring et sort hul, i mængder, der er store nok til, at de små partikler i fællesskab trækker på det sorte hul og bremser dets spin.

"Hvis du hopper på og derefter ned fra en karrusel, du kan stjæle energi fra karrusellen, "Vitale siger." Disse bosoner gør det samme ved et sort hul. "

Forskere mener, at denne boson-afmatning kan forekomme over flere tusinde år-relativt hurtigt på astrofysiske tidsskalaer.

"Hvis der findes bosoner, vi ville forvente, at gamle sorte huller i den passende masse ikke har store spins, da bosonskyerne ville have udvundet det meste af det, "Ng siger." Dette indebærer, at opdagelsen af ​​et sort hul med store spins kan udelukke eksistensen af ​​bosoner med visse masser. "

Spin op, dreje ned

Ng og Vitale anvendte denne begrundelse for målinger af sorte huller foretaget af LIGO, Laserinterferometer Gravitationsbølgeobservatorium, og dens ledsagerdetektor Jomfru. Detektorerne "lytter" efter gravitationsbølger, eller efterklang fra fjerntliggende katastrofer, såsom sammenlægning af sorte huller, kendt som binære filer.

I deres undersøgelse, holdet kiggede igennem alle 45 sorte huller -binarier rapporteret af LIGO og Jomfru til dato. Masserne af disse sorte huller - mellem 10 og 70 gange solens masse - indikerer, at hvis de havde interageret med ultralette bosoner, partiklerne ville have været mellem 1x10 ^-13 elektronvolt og 2x10 ^-11 elektronvolt i masse.

For hvert sort hul, holdet beregnede det spin, det skulle have, hvis det sorte hul blev spundet ned af ultralette bosoner inden for det tilsvarende masseområde. Fra deres analyse, to sorte huller skilte sig ud:GW190412 og GW190517. Ligesom der er en maksimal hastighed for fysiske objekter - lysets hastighed - er der et topspin, hvormed sorte huller kan rotere. GW190517 drejer tæt på det maksimale. Forskerne beregnede, at hvis der fandtes ultralette bosoner, de ville have trukket sit spin ned med en faktor to.

"Hvis de findes, disse ting ville have suget en masse vinkelmoment op, "Siger Vitale." De er virkelig vampyrer. "

Forskerne redegjorde også for andre mulige scenarier for at generere de sorte hullers store spins, samtidig med at der stadig er mulighed for eksistensen af ​​ultralette bosoner. For eksempel, et sort hul kunne have været spundet ned af bosoner, men derefter efterfølgende fremskyndet igen gennem interaktioner med den omgivende akkretionsskive - en disk af stof, hvorfra det sorte hul kunne suge energi og momentum fra.

"Hvis du gør regnestykket, du synes, det tager for lang tid at spinde et sort hul op til det niveau, som vi ser her, "Ng siger." Så, vi kan roligt ignorere denne spin-up-effekt. "

Med andre ord, det er usandsynligt, at de sorte hullers høje spins skyldes et alternativt scenario, hvor der også findes ultralette bosoner. I betragtning af masserne og de høje spins af begge sorte huller, forskerne var i stand til at udelukke eksistensen af ​​ultralette bosoner med masser mellem 1,3x10 ^-13 elektronvolt og 2,7x10 ^-13 elektronvolt.

"Vi har dybest set udelukket en slags bosoner i dette masseområde, "Vitale siger." Dette arbejde viser også, hvordan gravitationsbølgedetektioner kan bidrage til søgninger efter elementære partikler. "

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.