Två svarta hål som kretsar runt varandra på nära avstånd, med ett svart hål som bär ett moln av ultralätta bosoner. Som de nya beräkningarna visar, närvaron av bosonmolnet kommer att leda till ett distinkt fingeravtryck i gravitationsvågsignalen som sänds ut av paret med svarta hål. Kredit:D. Baumann
Vissa teorier som går utöver standardmodellen för partikelfysik förutspår förekomsten av nya ultralätta partiklar, med massor långt under de lättaste kända partiklarna i naturen. Dessa partiklar har så mycket svaga interaktioner med vanlig materia att de är svåra att upptäcka via partikelkolliderare och mörk materiadetektorer. Dock, enligt en ny artikel av fysikerna Daniel Baumann och Horng Sheng Chia från University of Amsterdam (UvA), tillsammans med Rafael Porto från DESY (Hamburg), sådana partiklar skulle kunna detekteras i gravitationsvågsignaler som härrör från sammanslagna svarta hål. Forskningen publicerades i Fysisk granskning D Denna vecka.
Naturen består av två typer av partiklar:fermioner, den typ av partikel som utgör fast material, och bosoner, den typ av partikel som kan sprida interaktioner. Ultralätta bosoner kan bilda stora kondensat runt snabbt roterande svarta hål genom en process som kallas superstrålning. Ett svart hål som bär ett sådant bosonmoln kallas ibland en "gravitationsatom, " eftersom dess konfiguration nära liknar proton-elektronstrukturen i en väteatom, men i mycket större skala. Till exempel, precis som elektronen i väteatomen, bosonmolnet runt ett svart hål kan existera i ett antal olika tillstånd, var och en med en viss energi.
Fingeravtryck
När det gäller väteatomen, övergångar mellan dessa olika energinivåer kan induceras genom att en laser lyser på atomen. När laserns energi är exakt rätt, elektronen kan hoppa från ett tillstånd till ett annat. En liknande effekt kan inträffa för gravitationsatomen om den är en del av ett par svarta hål som kretsar runt varandra. Isåfall, gravitationspåverkan från det andra svarta hålet kommer att spela laserns roll och inducera övergångar mellan bosonmolnets energitillstånd.
Under de senaste åren har fysiker har kunnat mäta gravitationsvågor – krusningar i gravitationsfältet – som uppstår när par av svarta hål våldsamt smälter samman till ett enda. Som Baumann, Chia och Porto visar nu, närvaron av energinivåövergångar i det hypotetiska bosonmolnet skulle inducera ett karakteristiskt "fingeravtryck" i gravitationsvågsignalerna som produceras av sådana sammanslagna svarta hål. Att observera ett sådant fingeravtryck skulle vara ett viktigt test för teorier som förutsäger ultralätta bosoniska partiklar. Medan nuvarande gravitationsvågobservationer ännu inte är tillräckligt känsliga för att observera effekten, detta kommer säkerligen att bli ett viktigt mål för framtida experiment.
