Gravitationsbølgedetektorer kunne kaste lys over mørkt stof

Et globalt team af forskere, inklusive to University of Mississippi fysikere, har fundet ud af, at de samme instrumenter, der blev brugt i den historiske opdagelse af gravitationsbølger forårsaget af kolliderende sorte huller, kunne hjælpe med at låse op for mørkt stofs hemmeligheder, en mystisk og endnu ikke observeret komponent i universet.

Forskningsresultaterne af Emanuele Berti, UM lektor i fysik og astronomi, Shrobana Ghosh, en kandidatstuderende, og deres kolleger optræder i septembernummeret af Fysisk gennemgangsbreve , en af ​​de mest prestigefyldte fagfællebedømte akademiske tidsskrifter på området. "Stokastiske og opløselige gravitationsbølger fra ultralette bosoner" er medforfatter af medforskere Richard Brito, Enrico Barausse, Vitor Cardoso, Irina Dvorkin, Antoine Klein og Paolo Pani.

Arten af ​​mørkt stof er stadig ukendt, men forskere vurderer, at det er fem gange så rigeligt som almindeligt stof i hele universet.

"Det mørke stofs natur er et af de største mysterier i fysik, "Berti sagde." Det er bemærkelsesværdigt, at vi nu kan lave partikelfysik-undersøge de "meget små"-ved at se på gravitationsbølgeemission fra sorte huller, de største og enkleste objekter i universet. "

PRL er en af ​​flere publikationer produceret af American Physical Society og American Institute of Physics. Den indeholder papirer, der anses for at repræsentere betydelige fremskridt inden for forskning, og derfor, kort udgivet hurtigt, brevformat til et bredt publikum af fysikere.

Dette papir beskriver beregninger fra forskerne, der arbejder i Tyskland, Frankrig, Italien, Portugal og USA, viser, at gravitationsbølge-interferometre kan bruges til indirekte at detektere tilstedeværelsen af ​​mørkt stof.

Et ledsagende papir fra holdet, "Gravitationsbølgesøgninger efter ultralette bosoner med LIGO og LISA, "er også blevet accepteret og vises i Fysisk gennemgang D .

Beregninger viser, at visse typer mørkt stof kan danne gigantiske skyer omkring astrofysiske sorte huller. Hvis der findes ultralette skalarpartikler i naturen, hurtigt roterende sorte huller ville udløse væksten af ​​sådanne skalære "kondensater" på bekostning af deres rotationsenergi, producerer en sky, der roterer omkring det sorte hul, nu mere langsomt roterende, og udsender gravitationsbølger, stort set som et kæmpe fyrtårn på himlen.

"En mulighed er, at mørkt stof består af skalarfelter, der ligner Higgs -bosonen, men meget lettere end neutrinoer, "Sagde Pani." Denne type mørkt stof er svært at studere i partikelacceleratorer, såsom Large Hadron Collider på CERN, men det kan være tilgængeligt for gravitationsbølgedetektorer. "

Holdet ledet af Brito studerede gravitationsbølger udsendt af systemet "sort hul plus sky". Afhængig af massen af ​​de hypotetiske partikler, signalet er stærkt nok til at blive detekteret af Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory, med instrumenter i Louisiana og Washington, og dens europæiske modstykke Jomfru, samt af den fremtidige rummission Laser Interferometer Space Antenna.

"Overraskende, gravitationsbølger fra kilder, der er for svage til at være individuelt påviselige, kan producere en stærk stokastisk baggrund, "Brito sagde." Dette arbejde tyder på, at en omhyggelig analyse af baggrunden i LIGO-data kan udelukke-eller opdage-ultralet mørkt stof ved hjælp af gravitationsbølgeinterferometre.

"Dette er en ny, spændende grænse inden for astropartikelfysik, der kunne kaste lys over vores forståelse af det mikroskopiske univers."

LIGO har været offline i et par måneder for opgraderinger. Teamet planlægger at annoncere nyt, spændende resultater fra det andet observationsløb snart.

"Vores arbejde viser, at omhyggelig analyse af stokastiske gravitationsbølger i de data, de allerede har taget, kan bruges til at lægge interessante begrænsninger på mørket stofs natur, "Sagde Berti.

Dette innovative arbejde "bekræfter den høje kvalitet af arbejdet inden for astropartikelfysik og gravitationsbølge-astronomi udført af medlemmer af gravitationsfysikgruppen ved UM, bredt anerkendt som en af ​​lederne på området, "sagde Luca Bombelli, formand og professor i fysik og astronomi ved Ole frk.