Rond roterende zwarte gaten kunnen zich wolken van ultralichte deeltjes vormen. Een team natuurkundigen van de Universiteit van Amsterdam en Harvard University laat nu zien dat deze wolken een karakteristieke afdruk zouden achterlaten op de zwaartekrachtsgolven die worden uitgezonden door binaire zwarte gaten.

Over het algemeen wordt aangenomen dat zwarte gaten alle vormen van materie en energie die hen omringen opslokken. Het is echter al lang bekend dat ze ook een deel van hun massa kunnen verliezen via een proces dat superradiance wordt genoemd. Hoewel bekend is dat dit fenomeen optreedt, is het alleen effectief als er nieuwe, tot nu toe niet-waargenomen deeltjes met een zeer lage massa in de natuur voorkomen, zoals voorspeld door verschillende theorieën die verder gaan dan het standaardmodel van de deeltjesfysica.

Ioniserende zwaartekrachtatomen

Wanneer massa via superradiantie uit een zwart gat wordt gehaald, vormt het een grote wolk rond het zwarte gat, waardoor een zogenaamd zwaartekrachtatoom ontstaat. Ondanks de immens grotere omvang van een zwaartekrachtatoom, is de vergelijking met submicroscopische atomen juist vanwege de gelijkenis van het zwarte gat plus zijn wolk met de bekende structuur van gewone atomen, waar wolken van elektronen een kern van protonen en neutronen omringen.

In een publicatie die verscheen in Physical Review Letters deze week suggereert een team bestaande uit UvA-fysici Daniel Baumann, Gianfranco Bertone en Giovanni Maria Tomaselli, en Harvard University-fysicus John Stout dat de analogie tussen gewone en zwaartekrachtatomen dieper gaat dan alleen de overeenkomst in structuur. Ze beweren dat de gelijkenis in feite kan worden benut om nieuwe deeltjes te ontdekken met aankomende zwaartekrachtgolfinterferometers.

In het nieuwe werk bestudeerden de onderzoekers het zwaartekrachtequivalent van het zogenaamde 'foto-elektrische effect'. Bij dit bekende proces, dat bijvoorbeeld in zonnecellen wordt gebruikt om een ​​elektrische stroom te produceren, absorberen gewone elektronen de energie van invallende lichtdeeltjes en worden daardoor uit een materiaal uitgestoten - de atomen 'ioniseren'. In de zwaartekrachtanaloog, wanneer het zwaartekrachtatoom deel uitmaakt van een binair systeem van twee zware objecten, wordt het verstoord door de aanwezigheid van de massieve metgezel, wat een tweede zwart gat of een neutronenster zou kunnen zijn. Net zoals de elektronen in het foto-elektrisch effect de energie van het invallende licht absorberen, kan de wolk van ultralichte deeltjes de baanenergie van de metgezel absorberen, zodat een deel van de wolk uit het zwaartekrachtatoom wordt uitgestoten.

Nieuwe deeltjes vinden

Het team toonde aan dat dit proces de evolutie van dergelijke binaire systemen drastisch kan veranderen, waardoor de tijd die nodig is om de componenten met elkaar te laten samensmelten aanzienlijk wordt verkort. Bovendien wordt de ionisatie van het zwaartekrachtatoom versterkt op zeer specifieke afstanden tussen de binaire zwarte gaten, wat leidt tot scherpe kenmerken in de zwaartekrachtsgolven die we detecteren van dergelijke samensmeltingen. Toekomstige zwaartekrachtgolfinterferometers - machines vergelijkbaar met de LIGO- en Virgo-detectoren die ons de afgelopen jaren de eerste zwaartekrachtgolven van zwarte gaten hebben laten zien - zouden deze effecten kunnen waarnemen. Het vinden van de voorspelde kenmerken van zwaartekrachtatomen zou onderscheidend bewijs leveren voor het bestaan ​​van nieuwe ultralichte deeltjes. + Verder verkennen

Nieuwe deeltjes ontdekken met zwarte gaten