Детекторы гравитационных волн могут «почувствовать» темную материю

Исследование, проведенное под руководством доктора Александра Себастьяна Геттеля из Кардиффского университета, посвящено поиску особого кандидата в темную материю, так называемой «темной материи скалярного поля». Работа опубликована в журнале Physical Review Letters.

Детекторы гравитационных волн — это высокочувствительные устройства, которые обнаруживают малейшие колебания (так называемые гравитационные волны) в пространстве-времени.

Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория, или LIGO, использует лазерные интерферометры для обнаружения гравитационных волн. Установка состоит из двух 4-километровых рукавов, расположенных под прямым углом. Лазерный луч разделяется на две части и направляется вдоль каждого рукава.

Гравитационные волны растягивают и сжимают само пространство-время, а поскольку это поперечная волна, то расстояние в одном плече будет растягиваться, а в другом — сжиматься. Это означает, что время, затрачиваемое светом, будет разным вдоль каждого рукава.

Затем оба луча направляются обратно в центр с помощью зеркала и измеряется интерференционная картина. По измененной интерференционной картине LIGO обнаруживает присутствие гравитационной волны.

Одной из гипотетических форм темной материи является темная материя скалярного поля. Это сверхлегкие скалярные бозоны, то есть они не обладают ни собственным спином, ни направленностью. Проще говоря, если их повернуть в пространстве, их свойства останутся неизменными.

Скалярно-полевая темная материя, согласно теории, слабо взаимодействует с веществом и светом. Это слабое взаимодействие в сочетании с малой массой означает, что темная материя скалярного поля может демонстрировать волнообразные структуры, распространяясь и накладываясь друг на друга, образуя волновые узоры.

Это позволяет им создавать стабильные образования, такие как облака темной материи, которые могут перемещаться в пространстве, не распадаясь на части. Это свойство темной материи со скалярным полем является ключевым для использования детекторов гравитационных волн, таких как LIGO, для их поиска.

Доктор Геттель пояснил: «Согласно некоторым теориям, темная материя ведет себя скорее как волна, чем как частица. Эти волны вызывают крошечные колебания в обычной материи, которые могут быть обнаружены детекторами гравитационных волн».

Исследовательская группа разработала теоретическую модель, чтобы понять, как темная материя скалярного поля будет взаимодействовать с компонентами LIGO.

После этого они использовали программное обеспечение для моделирования, чтобы понять, как темная материя скалярного поля повлияет на результаты работы LIGO, если она будет присутствовать. Моделирование дает представление о том, какого рода сигналы или аномалии следует искать в данных LIGO.

Затем исследовательская группа использовала данные LIGO и применила метод логарифмического спектрального анализа для выявления закономерностей или сигналов, которые соответствуют предсказанному эффекту темной материи скалярного поля.

Команда не смогла найти убедительных доказательств существования темной материи скалярного поля в данных LIGO. Однако им удалось установить новые верхние пределы на силу взаимодействия между темной материей и компонентами LIGO.

Эта сила связи является пороговым значением, при превышении которого можно обнаружить присутствие скалярной темной материи. Значение этой силы связи было улучшено в 10 000 раз по сравнению с предыдущими работами в этом конкретном диапазоне частот.

Исследовательская группа считает, что будущие детекторы гравитационных волн смогут «почувствовать» колебания темной материи, если будут знать куда смотреть и где ее искать.