Во Вселенной господствует темная материя — малоизученная субстанция, которая не излучает, не поглощает и не отражает свет, но оказывает явное гравитационное влияние на другую материю. Несмотря на то, что в космосе ее в пять раз больше, чем обычной материи, состав и свойства темной материи остаются полностью неизвестными.
Чтобы решить эту проблему, Хенджин Ким, физик-теоретик из немецкого центра ускорителей на электронных синхротронах (DESY), предложил искать частицы темной материи с помощью детекторов гравитационных волн — приборов, предназначенных для измерения тонких пульсаций в ткани пространства-времени, которые впервые предсказал Альберт Эйнштейн.
Темная материя как волны
Существует множество гипотез о природе частиц темной материи, которые скапливаются в огромных количествах и образуют так называемые гало в галактиках. В новой работе, опубликованной в декабре 2023 года в журнале Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, Ким предположил, что эти частицы могут быть чрезвычайно легкими, как и предсказывают многие популярные теории темной материи.
«Сверхлегкие частицы часто встречаются во многих теориях, выходящих за рамки стандартной модели, — сообщил Ким.
Некоторые из этих частиц являются «идеальными кандидатами» на роль темной материи, что приводит к интересным предположениям о том, как может вести себя неуловимая сущность, добавил он.
«В отличие от других кандидатов в темную материю, сверхлегкие частицы темной материи ведут себя более похоже на классические [электромагнитные] волны, — сказал Ким.
Волновые свойства темной материи могут привести к неожиданному поведению». В частности, недавние теоретические исследования показывают, что плотность темной материи в галактическом гало должна претерпевать случайные изменения, толкая целые галактики и потенциально оставляя тонкие подсказки о составе темной материи.
«Представьте себе волны в океане; мы постоянно видим, что на поверхности океана происходят колебания, и он развивается непредсказуемым образом», — говорит Ким. «То же самое может происходить и в сверхлегком ореоле темной материи», причем возникающие флуктуации могут распространяться на расстояние в миллионы раз большее, чем расстояние между Землей и Солнцем, добавил Ким.
Если темная материя сверхлегкая и если она действительно ведет себя как волна, то ученые могут потенциально обнаружить ее движение с помощью детекторов гравитационных волн.
Детекторы гравитационных волн приходят на помощь
Согласно общей теории относительности Эйнштейна, гравитационные волны — это рябь в ткани пространства-времени.
Когда такая волна проходит через детектор гравитационных волн, она изменяет геометрию пространства внутри него, временно меняя расстояние между двумя зеркалами или другими подобными объектами, размещенными внутри детектора. Это минутное изменение позволяет ученым обнаружить присутствие гравитационной волны.
В своем исследовании Ким предполагает, что это расстояние может быть изменено не только гравитационной волной, но и движущейся флуктуацией темной материи, которая может притягивать зеркала своим гравитационным полем подобно тому, как Земля притягивает небесные тела, движущиеся вокруг нее.
«Эти флуктуации беспорядочно перемещаются в пределах Солнечной системы и постоянно бомбардируют детекторы гравитационных волн», — говорит Ким.
Чтобы проверить, могут ли современные детекторы гравитационных волн теоретически обнаружить влияние сверхлегкой темной материи, Ким рассчитал, как частицы темной материи разного размера могут возмущать пространство-время. Киму пришлось исследовать широкий диапазон масс — от примерно 16 до 28 порядков меньше массы электрона.
Его теоретический анализ показал, что при всех этих массах существующие детекторы, такие как Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO), которая помогла доказать существование гравитационных волн в 2015 году, не смогут обнаружить флуктуации темной материи, поскольку их чувствительность слишком мала.
Однако существует несколько проектов будущих детекторов гравитационных волн, которые будут располагаться в космосе, и расстояние между их спутниками будет не несколько миль, как между зеркалами LIGO, а примерно в миллион раз больше. Если это расстояние изменится даже на малую долю, то величина изменения должна быть настолько большой, чтобы влияние темной материи можно было измерить.
«Я обнаружил, что флуктуационная бомбардировка темной материи может оставлять характерный сигнал в детекторах гравитационных волн, и потенциально будущие космические детекторы смогут проверить гипотезу о сверхлегкой темной материи», — говорит Ким. «В моем предложении используются будущие детекторы гравитационных волн космического базирования, такие как лазерная интерферометрическая космическая антенна (LISA)».
Поскольку запуск LISA запланирован на середину 2030-х годов, до проверки этой теории остается более десяти лет. Однако, добавил Ким, пока что могут существовать и другие способы обнаружения влияния темной материи на пространство-время.
«В настоящее время я изучаю возможность использования быстро вращающихся нейтронных звезд в качестве еще одного способа исследования таких флуктуаций», — сказал он.
Нет комментариев