Ühe kujuteldamatult kerge osakese massi väljaselgitamiseks võib vaja minna musta auku, mille mass on sama suur kui 140 000 Päikesel. Üht ülikerge tumeaine mudelit käsitlev arvutustöö pakub välja, et selle ümber tiirlev väiksem must auk võiks toimida omamoodi mõõteriistana: tema liikumise rütmist saaks otsida vihjeid ümbritseva tumeaine osakeste massi kohta. Meieni jõuaks see teave gravitatsioonilainetena ehk aegruumi võbelustena.
Tumeaine puhul ongi üks suurimaid raskusi see, et oskame hinnata selle kogust, teadmata, millest see koosneb. Galaktikate liikumine reedab nähtamatu aine gravitatsioonilise mõju, kuid ei ütle kuigi palju ühe osakese kohta. See on nagu võimalus kaaluda tervet liivakuhja, suutmata eristada selles ainsatki liivatera.
Rodrigo Vicente ja tema kolleegide arXivis avaldatud eeltrükk kirjeldab võimalust sellest takistusest mööda pääseda. Seni on meetodit katsetatud üksnes simulatsioonides: uurijad ei ole avastanud tumeaine osakest ega leidnud selle jälge tegelikust vaatlussignaalist.
Osakese mass võib peituda tiirlemise rütmis
Kujutleme tähemassiga musta auku, mis tiirleb endast tuhandeid kordi massiivsema musta augu ümber. Tiirlemisel kannavad gravitatsioonilained süsteemist energiat minema ning väiksem kaaslane liigub suuremale lähemale. Selle aeglase lähenemise rütmi saab füüsikaseaduste põhjal arvutada.
Kui suure musta augu ümber leidub aga tihe tumeaine koondum, ei toimu liikumine enam tühjuses. Väiksem must auk neelab osa ainest ning suunab oma gravitatsiooniga ümbritsevat ainet ümber. Need vastastikmõjud muudavad tema liikumist ja seega ka gravitatsioonilainete signaali.
Pelgalt kõrvalekalde leidmisest osakese kaalumiseks siiski ei piisa. Vaja on eristada, kas signaal muutus sellepärast, et tumeainet oli rohkem, või sellepärast, et selle osakestel oli teistsugune mass. Uurimuse keskne idee on, et kahe musta augu tohutu suurusevahe võib aidata need mõjud lahutada.
Teatud ülikergete osakeste korral saab tumeainet suure musta augu ümbruses kirjeldada peaaegu põrkumata liikuvate osakeste kogumina. Väiksema musta augu lähedal muutub aga oluliseks sama aine laineline loomus. Osakese massist sõltub temaga seotud laine pikkus ning seeläbi ka see, kuidas aine väikese musta auguga vastastikku mõjub.
Nii võib osakese mass jätta tiirlemise rütmi jälje, mida ei saa alati jäljendada lihtsalt tumeaine kogust muutes. Sobivates tingimustes võiks ühest gravitatsioonilainesignaalist seega välja lugeda nii ümbritseva aine tiheduse kui ka vihje selle osakeste massile.
Kolm aastat ja 170 000 tiiru
Ühes simulatsioonis jälgisid uurijad paari viimast kolme aastat enne väiksema musta augu neeldumist. Suurema musta augu mass oli allika enda taustsüsteemis ligikaudu 140 000 ja väiksema oma 13 Päikese massi. Selle aja jooksul jõudis väiksem kaaslane teha umbes 170 000 tiiru.
Just pikk jälgimisaeg muudab nõrga mõju huvitavaks. Ühe tiiru jooksul võib erinevus olla tilluke, kuid kümnete tuhandete tiirude peale koguneb see märgatavaks nihkeks. Sõltuvalt oletatud tumeaine osakese massist erines arvutatud tiirlemise faas ehk orbiidil läbitud tsüklite arvestus tühjuses tiirleva paari omast umbes 30–2000 tiirutsükli võrra.
Kahe proovitud osakesemassi korral õnnestus uurijatel mudelsignaalist mass ligikaudu suurusjärgu täpsusega tagasi leida. See poleks täppiskaalumine: võimalike väärtuste vahemik kitseneks umbes kümnekordseks. Tundmatu osakese puhul oleks aga ka selline piirang sisukas tulemus.
Meetod ei töötanud kõigi masside korral ühtviisi hästi. Mõnel juhul sai määrata üksnes massi alampiiri, teisel juhul ei sisaldanud signaal selle kohta enam kasulikku teavet. Kosmiline kaal oleks seega tundlik vaid teatud massivahemikus.
Mõõteriist alles ootab starti
Selliseid madalsageduslikke gravitatsioonilaineid peaks tulevikus mõõtma Euroopa Kosmoseagentuuri juhitav LISA. Kolmest kosmoseaparaadist koosneva observatooriumi start on ESA teatel kavandatud 2035. aastaks. Aparaatide vahele jääks 2,5 miljonit kilomeetrit ning nende vahemaade imepisikesi muutusi jälgitaks laseritega.
Ent tundlikust detektorist üksi ei piisa. Kõigepealt peab loodus pakkuma sobiva mustade aukude paari, mille ümbruses on säilinud piisavalt tihe tumeaine koondum. Varasemad ühinemised võivad seda hõrendada ning nõrgestada just seda mõju, mida uurijad leida loodavad.
Ka arvutustel on olulised piirangud. Töö käsitles üht kindlat ülikerge tumeaine mudelit, peaaegu ringikujulisi orbiite ja mittepöörlevaid suuri musti auke. Analüüs arvestas LISA eeldatavat mürataset, kuid simuleeritud signaalidele juhuslikku detektorimüra ei lisatud. Samuti jäeti kõrvale see, kuidas väiksem must auk liikumise ja aine neelamisega tumeaine koondumit ennast muudaks — protsess, mis võib ennustatud jälge nõrgendada.
Seega pole veel teada, kas selline mõõtmine ka tegelikus universumis õnnestub. Mustade aukude pikk tiirlemislugu võib rääkida millestki enamast kui nende endi massist ja liikumisest. Kui sobiv signaal kunagi leitakse, võiks see aidata liikuda küsimuselt „kus tumeaine asub?” küsimuseni „millest see koosneb?”.
Artikkel valmis Yawni AI-agendi toimetamisel.