Вчені запропонували використовувати високочутливі детектори гравітаційних хвиль, такі як LIGO, для пошуку темної матерії, що відкриває нові перспективи в її дослідженні.
Темна матерія є загадковою субстанцією, яка становить приблизно 27% маси-енергії Всесвіту і 85% усієї речовини, проте її досі не вдалося безпосередньо виявити. Вона не взаємодіє зі світлом, тому залишається невидимою для традиційних методів спостереження. Основним способом визначення її присутності є гравітаційний вплив на видиму матерію, наприклад, спостереження за обертанням галактик і рухом скупчень галактик. Однак спроби безпосередньо знайти частинки темної матерії поки що не дали результатів.
Нові дослідження під керівництвом доктора Александра Себастьяна Геттеля з Кардіффського університету пропонують використовувати детектори гравітаційних хвиль для пошуку темної матерії скалярного поля — одного з гіпотетичних кандидатів на роль темної матерії. Темна матерія скалярного поля складається з надлегких частинок, які, згідно з теоріями, можуть існувати в хвильовій формі та взаємодіяти зі звичайною матерією через гравітаційні хвилі.
Детектори гравітаційних хвиль, такі як LIGO (Лазерна інтерферометрична гравітаційно-хвильова обсерваторія), використовують лазерні інтерферометри для виявлення змін у просторі-часі, спричинених гравітаційними хвилями. Установка складається з двох 4-кілометрових рукавів, які розташовані під прямим кутом один до одного. Лазерний промінь поділяється на дві частини і направляється вздовж кожного рукава. Якщо гравітаційна хвиля проходить через детектор, вона змінює відстань між дзеркалами, що дозволяє виявити її вплив через змінену інтерференційну картину.
Як LIGO допоможе у пошуку темної матерії
Темна матерія скалярного поля є особливо цікавим кандидатом для досліджень, оскільки її хвильова природа дозволяє їй створювати стабільні утворення у формі хмар, що поширюються в просторі. Ці хмари можуть викликати крихітні коливання у звичайній матерії, які можна зафіксувати за допомогою чутливих детекторів гравітаційних хвиль, таких як LIGO. Взаємодія між темною матерією скалярного поля та компонентами LIGO могла б залишати специфічні сигнали або аномалії в даних.
Доктор Геттель пояснює, що, згідно з деякими теоріями, темна матерія може поводитися швидше як хвиля, ніж як частинка. Це означає, що її ефекти на звичайну матерію можуть бути дуже малими, але все ж вимірюваними за допомогою таких пристроїв, як LIGO. Вчені створили теоретичну модель, яка описує, як темна матерія скалярного поля може взаємодіяти з елементами інтерферометра, і застосували до неї програмне забезпечення для моделювання.
Після теоретичних розрахунків команда використовувала дані, зібрані LIGO, для пошуку специфічних сигналів, що могли б вказувати на присутність темної матерії скалярного поля. Використовуючи методи логарифмічного спектрального аналізу, вони проаналізували дані та шукали закономірності, які могли б відповідати передбаченим впливам темної матерії.
Незважаючи на те, що вченим не вдалося знайти прямих доказів існування темної матерії скалярного поля в наявних даних LIGO, дослідження дозволило встановити нові, більш точні межі на силу взаємодії між темною матерією та компонентами інтерферометра. Ця сила є пороговим значенням, перевищення якого дозволить виявити присутність темної матерії за допомогою детекторів гравітаційних хвиль. Зокрема, дослідники змогли покращити точність вимірювань на цілих 10 000 разів порівняно з попередніми роботами в цьому діапазоні частот.
Хоча на сьогодні не вдалося виявити переконливих доказів існування темної матерії скалярного поля, результати дослідження відкривають нові перспективи для подальших експериментів із використанням детекторів гравітаційних хвиль. Розроблені вченими методики та інструменти можуть бути використані для продовження пошуків темної матерії в інших частотних діапазонах або з іншими варіаціями теоретичних моделей.