Темная материя, невидимый компонент Вселенной, составляющий значительную часть ее массы, продолжает бросать вызов ученым. Хотя ее существование признается, ее природа остается загадкой. Для ее обнаружения новое исследование предлагает использовать детекторы гравитационных волн.
Гравитационные волны для поиска темной материи
Впервые обнаруженные в 2015 году, гравитационные волны радикально изменили наше представление о Вселенной. Эти пульсации в пространстве-времени, предсказанные Альбертом Эйнштейном более века назад, позволяют астрономам изучать самые бурные явления в космосе, такие как слияние черных дыр. Эти открытия не только подтвердили одно из главных предсказаний общей теории относительности, но и открыли новые возможности для изучения тайн Вселенной.
Однако гравитационные волны могут открыть гораздо больше, чем секреты черных дыр. Их можно использовать для исследования другой космической загадки — темной материи.
Эта невидимая субстанция, о наличии которой можно догадаться по ее гравитационному воздействию на видимую материю, составляет около 85 % от общего количества материи во Вселенной. Несмотря на большое количество исследований, ее точная природа остается загадкой. Ученые предполагают, что темная материя может состоять из элементарных частиц, которые очень слабо взаимодействуют с обычной материей, но ни один эксперимент пока не доказал этого.
Как это работает?
Группа исследователей под руководством доктора Александра Себастьяна Геттеля из Университета Кардиффа сосредоточилась на особой форме темной материи: темной материи со скалярным полем.
В отличие от обычной материи, состоящей из фермионов (электронов, кварков и т.д.), скалярно-полевая темная материя, как предполагается, состоит из бозонов — частиц, подчиняющихся другим правилам. Эти частицы будут очень легкими и будут очень слабо взаимодействовать с обычной материей, что объясняет, почему ее так трудно обнаружить напрямую. Преимущество этой гипотезы в том, что она предсказывает специфические взаимодействия с гравитационными полями, что делает ее перспективным кандидатом для обнаружения интерферометрами, такими как обсерватория гравитационных волн LIGO.
Детекторы гравитационных волн — это чрезвычайно чувствительные приборы, способные обнаруживать крошечные изменения в пространстве-времени. Точнее, эти установки работают, посылая лазерные лучи вдоль перпендикулярных рукавов длиной в несколько километров. Когда гравитационная волна проходит через эти приборы, она слегка искажает пространство-время, изменяя длину рукавов и, соответственно, траекторию лазерных лучей. Измеряя эти крошечные колебания, ученые могут обнаружить прохождение гравитационной волны.
Исследователи предполагают, что эти колебания могут быть вызваны не только гравитационными волнами, возникающими в результате бурных космических событий, но и взаимодействием между компонентами детектора и окружающей темной материей.
Никаких следов… пока что
В недавнем исследовании ученые проанализировали данные, собранные LIGO, в поисках сигналов, характерных для взаимодействия между гравитационными волнами и темной материей. Они также разработали теоретические модели, чтобы смоделировать влияние темной материи на приборы, и сравнили эти модели с реальными данными.
Хотя команда пока не нашла прямых доказательств существования этой темной материи, им удалось установить новые ограничения на ее природу. Другими словами, им удалось уточнить наше понимание того, на что темная материя не похожа.
