Gravitationsbølgedetektorer kan muligvis detektere mørkt stofpartikler, der kolliderer med deres spejle

Astronomiområdet er blevet revolutioneret, takket være den første nogensinde detektion af gravitationsbølger (GW'er). Siden den første påvisning blev foretaget i februar 2016 af forskere ved Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO), flere gravitationshændelser er blevet opdaget. Disse har givet indsigt i et fænomen, der blev forudsagt for over et århundrede siden af ​​Albert Einstein.

Det viser sig, infrastrukturen, der bruges til at opdage GW'er, kunne også knække et andet astronomisk mysterium:mørkt stof. Ifølge en ny undersøgelse foretaget af et hold japanske forskere, laserinterferometre kunne bruges til at lede efter svagt interagerende massive partikler (WIMP'er), en stor kandidatpartikel i jagten på mørkt stof.

For at opsummere, WIMPS er en teoretisk elementarpartikel, der kun interagerer med normalt stof (baryonisk) gennem den "svage" tyngdekraft. Som med andre elementære partikler, der er en del af standardmodellen (hvoraf WIMPS ikke er), de ville være blevet skabt under det tidlige univers, hvor kosmos var ekstremt varmt.

WIMP'er er i det væsentlige den mikroskopiske kandidatpartikel, hvilket placerer dem i den modsatte ende af spektret fra den anden store kandidat - de makroskopiske massive kompakte haloobjekter (MACHO'er). Indtil nu, flere eksperimenter er blevet udført for at finde disse partikler, lige fra partikelkollisioner og indirekte detektioner til mere direkte metoder, men resultaterne har stort set været usikre.

Som Dr. Satoshi Tsuchida, en professor i fysik ved Osaka City University og hovedforfatter af undersøgelsen, fortalt Universet i dag via e-mail:

"[De fleste] MACHO'er menes at bestå af baryonisk stof, men baryoner tegner sig kun for 5 procent af universet. Dermed, vi kan ikke forklare strukturen af ​​det nuværende univers, hvis alt mørkt stof består af MACHO'er. På den anden side, WIMP'er er ikke-baryonisk stof, og vi har ingen grund til at udelukke [dem] fra mørkt stof... Derfor, WIMP'er kan være lovende mørkt stof-kandidater."

Af hensyn til deres studie, forskerholdet (som omfatter medlemmer fra Osaka Universitets Nambu Yoichiro Institut for Teoretisk og Eksperimentel Fysik og Ritsumeikan Universitet) foreslår en ny søgemetode, der udnytter de seneste fremskridt inden for tyngdebølgedetektion. Ved at bruge den samme metode til at detektere krusninger i rum-tid, de hævder, at WIMP'er også kunne opdages for første gang.

Dette ville udgøre en "direkte detektions"-tilgang ved hjælp af laserinterferometre, en metode, der er blevet foreslået tidligere. Imidlertid, denne metode er endnu ikke testet, dels fordi forskere endnu ikke har beregnet, hvilke slags signaler der vil blive forårsaget af direkte interaktioner mellem WIMP'er og nukleoner i et laserinterferometers spejl.

Imidlertid, forskerholdet hævder, at bevægelserne af et pendul og et spejl i en GW-detektor vil blive ophidset på grund af en kollision. Forskerholdet analyserede disse bevægelser og estimerede, hvor detekterbare de ville være for et system af meget sofistikerede sensorer som dem, der bruges af LIGO og andre GW-detektorer.

Fra dette, holdet var i stand til at skabe en ramme, der kunne komme til nytte for fremtidig forskning. "Dermed, vores metode kan [give] noget ny viden til mørkt stof [forskning], " sagde Dr. Satoshi. "Næste-generations GW-detektorer har bedre følsomhed end den nuværende generation, så signal-til-støj-forholdet ville blive forbedret med nogle størrelsesordener."

"Hvis vi kan etablere en metode til at udtrække signalerne om mørkt stof på GW-detektoren, metoden kunne spille [en] vigtig rolle for at belyse karakteren af ​​WIMPs ved [en] uafhængig tilgang, " tilføjede han. "Således, vores undersøgelse kan hjælpe med at afsløre universets struktur ikke kun i øjeblikket, men også i fortiden og fremtiden."

Disse inkluderer Kamioka gravitationsbølgedetektor, Storskala Cryogenic Gravitational Wave Telescope (KAGRA) i Japan - som i øjeblikket er ved at blive opgraderet - og Einstein Telescope (ET), en tredje generation af europæisk detektor, der stadig er i designfasen. Når disse kommer online og slutter sig til LIGO og Virgo-observatoriet i Italien, de vil give mulighed for en hidtil uset påvisningshastighed.

Det er ikke første gang, at forskere har foreslået andre applikationer til GW-forskning. For eksempel, et internationalt hold af videnskabsmænd foreslog for nylig, at GW'er kunne bruges til at studere dværggalakser i håb om at se, hvordan de domineres af mørkt stof. Et andet forslag er at bruge GW'er til at måle universets ekspansionshastighed - en metode, der kunne fortælle os meget om naturen og indflydelsen af ​​mørk energi.