Moln av ultralätta partiklar kan bildas runt roterande svarta hål. Ett team av fysiker från University of Amsterdam och Harvard University visar nu att dessa moln skulle lämna ett karakteristiskt avtryck på gravitationsvågorna som emitteras av binära svarta hål.

Svarta hål anses generellt svälja all form av materia och energi som omger dem. Det har dock länge varit känt att de också kan kasta bort en del av sin massa genom en process som kallas superradiance. Även om detta fenomen är känt för att inträffa, är det bara effektivt om nya, hittills oobserverade partiklar med mycket låg massa finns i naturen, vilket förutspåtts av flera teorier bortom standardmodellen för partikelfysik.

Joniserande gravitationsatomer

När massa extraheras från ett svart hål via superstrålning, bildar det ett stort moln runt det svarta hålet, vilket skapar en så kallad gravitationsatom. Trots den oerhört större storleken på en gravitationsatom är jämförelsen med submikroskopiska atomer korrekt på grund av likheten mellan det svarta hålet plus dess moln med den välbekanta strukturen hos vanliga atomer, där moln av elektroner omger en kärna av protoner och neutroner.

I en publikation som publicerades i Physical Review Letters den här veckan föreslår ett team bestående av UvA-fysikerna Daniel Baumann, Gianfranco Bertone och Giovanni Maria Tomaselli, och Harvard University-fysikern John Stout, att analogin mellan vanliga och gravitationsatomer går djupare än bara likheten i struktur. De hävdar att likheten faktiskt kan utnyttjas för att upptäcka nya partiklar med kommande gravitationsvågsinterferometrar.

I det nya arbetet studerade forskarna gravitationsmotsvarigheten till den så kallade "fotoelektriska effekten". I denna välkända process, som till exempel utnyttjas i solceller för att producera en elektrisk ström, absorberar vanliga elektroner energin från infallande ljuspartiklar och stöts därigenom ut från ett material – atomerna "joniserar". I gravitationsanalogen, när gravitationsatomen är en del av ett binärt system med två tunga objekt, störs den av närvaron av den massiva följeslagaren, som kan vara ett andra svart hål eller en neutronstjärna. Precis som elektronerna i den fotoelektriska effekten absorberar energin från det infallande ljuset, kan molnet av ultralätta partiklar absorbera följeslagarens orbitala energi, så att en del av molnet kastas ut från gravitationsatomen.

Hitta nya partiklar

Teamet visade att denna process dramatiskt kan förändra utvecklingen av sådana binära system, vilket avsevärt minskar den tid som krävs för komponenterna att smälta samman med varandra. Dessutom förstärks joniseringen av gravitationsatomen på mycket specifika avstånd mellan de binära svarta hålen, vilket leder till skarpa drag i gravitationsvågorna som vi upptäcker från sådana sammanslagningar. Framtida gravitationsvågsinterferometrar - maskiner som liknar LIGO- och Virgo-detektorerna som under de senaste åren har visat oss de första gravitationsvågorna från svarta hål - skulle kunna observera dessa effekter. Att hitta de förutspådda egenskaperna från gravitationsatomer skulle ge distinkta bevis för existensen av nya ultralätta partiklar. + Utforska vidare

Upptäck nya partiklar med hjälp av svarta hål