Fale grawitacyjne to kosmiczne zmarszczki w tkance przestrzeni i czasu, które powstają z katastroficznych wydarzeń w kosmosie takich jak zderzenia czarnych dziur i gwiazd neutronowych — zapadniętych jąder masywnych nadolbrzymów. Niezwykle czułe detektory fal grawitacyjnych na Ziemi, takie jak detektory Advanced LIGO i  Virgo, z powodzeniem zaobserwowały dziesiątki sygnałów fal grawitacyjnych, były również używane do wyszukiwania ciemnej materii:  hipotetycznej formy materii, która, jak się uważa, stanowi około 85% całej materii we Wszechświecie. Ciemna materia może składać się z cząstek, które nie pochłaniają, nie odbijają ani nie emitują światła, więc nie można ich wykryć, obserwując promieniowanie elektromagnetyczne.

Ciemna materia to materiał, którego nie można zobaczyć bezpośrednio, ale wiemy, że ciemna materia istnieje ze względu na jej wpływ na obiekty, które możemy obserwować bezpośrednio.

Ultralekkie cząstki bozonowe to nowy rodzaj cząstek subatomowych, które naukowcy wysunęli jako przekonujących kandydatów na ciemną materię.  Jednakże, te ultralekkie cząstki są trudne do wykrycia, ponieważ mają niezwykle małą masę i rzadko wchodzą w interakcje z inną materią – co jest jedną z kluczowych właściwości, jakie wydaje się mieć ciemna materia. Wykrywanie fal grawitacyjnych zapewnia nowe podejście do wykrywania tych niezwykle lekkich cząstek bozonów za pomocą grawitacji. Naukowcy wysuwają teorię, że jeśli w pobliżu szybko wirującej czarnej dziury znajdują się pewne ultralekkie cząstki bozonu, to ekstremalne pole grawitacyjne powoduje, że cząstki są uwięzione wokół czarnej dziury.

Zjawisko to może generować fale grawitacyjne przez bardzo długi okres. Poszukując sygnałów fal grawitacyjnych, naukowcy mogą wreszcie odkryć te nieuchwytne cząstki bozonowe, jeśli takowe istnieją i być może pomoże ti złamać kod ciemnej materii lub wykluczyć istnienie niektórych typów proponowanych cząstek.

W niedawnym międzynarodowym badaniu w ramach współpracy LIGO-Virgo-KAGRA, w którym jednym z czołowych badaczy był dr Lilli Sun z Australian National University, dr Lilli Sun z OzGrav Associate Investigator ogłosiła, że zespół naukowców przeprowadził pierwsze poszukiwania całego nieba dostosowane do przewidywanych sygnałów fal grawitacyjnych z obłoków bozonów wokół szybko wirujących czarnych dziur.

„Nauka o falach grawitacyjnych otworzyła zupełnie nowe okno do badania fizyki fundamentalnej. Dostarcza nie tylko bezpośrednich informacji o tajemniczych zwartych obiektach we Wszechświecie, takich jak czarne dziury i gwiazdy neutronowe, ale także pozwala szukać nowych cząstek i ciemnej materii” – mówi dr Sun.

Chociaż sygnał nie został wykryty, zespołowi badaczy udało się wyciągnąć cenne wnioski na temat możliwej obecności tych chmur w naszej Galaktyce. W analizie wzięli również pod uwagę, że siła sygnału fali grawitacyjnej zależy od wieku chmury bozonów: chmura bozonów kurczy się, ponieważ traci energię, wysyłając fale grawitacyjne, więc siła sygnału fali grawitacyjnej zmniejszałaby się wraz ze starzeniem się chmury.

„Dowiedzieliśmy się, że określony typ obłoków bozonów młodszych niż 1000 lat prawdopodobnie nie będzie istniał nigdzie w naszej Galaktyce, podczas gdy takie chmury, które mają nawet 10 milionów lat, prawdopodobnie nie będą istniały w odległości około 3260 lat świetlnych od Ziemi” mówi dr Sun.

„Przyszłe detektory fal grawitacyjnych z pewnością otworzą więcej możliwości. Będziemy mogli sięgnąć głębiej w  Wszechświat i odkryć więcej informacji na temat tych cząstek”.