暗物質可能會在我們周圍的時空輕輕搖擺——科學家可能最終知道如何檢測它 _暗物質

一張X射線圖像揭示了一個類似銀河系的星系邊緣的氣體暈。這種光環被認為是神秘的、不可見的暗物質的溫床。（圖片來源:美國國家航空航天局）
據美國太空網（安德烈·費爾德曼）：一項新的理論研究表明，科學家可能很快就能利用一批下一代衛星探測到宇宙中最神秘的實體。
暗物質——一種我們知之甚少的物質，它不發射、吸收或反射光，但對其他物質產生明顯的引力影響——主導著宇宙。盡管暗物質在空間中的含量是普通物質的五倍多，但它的成分和性質仍然完全未知。
為了解決這個問題，德國電子同步加速器（DESY）中心的理論物理學家金亨進提議使用引力波探測器來尋找暗物質粒子。引力波探測器是一種旨在測量時空結構中細微波紋的儀器，首次被阿爾伯特·愛因斯坦預測到。
暗物質作為波
關于暗物質粒子的性質有許多假設，暗物質粒子大量積累，在星系中形成所謂的暈。在2023年12月發表在《宇宙學和天體粒子物理學雜志》上的新論文中，金假設這些粒子可能非常輕，正如許多流行的暗物質理論所預測的那樣。
“超輕粒子通常出現在許多超越標準模型的理論中，”Kim通過電子郵件告訴LiveScience 。他補充說，其中一些粒子是暗物質的“完美候選者” ，對這種難以捉摸的實體可能的行為提出了一些有趣的暗示。
“與其他‘粒子’暗物質候選者不同，超輕暗物質粒子的行為更類似于經典（電磁）波，”Kim說。
暗物質的波動特性可能會導致意想不到的行為。特別是，最近的理論研究表明，星系暈內暗物質的密度應該發生隨機變化，推擠整個星系，并可能留下暗物質組成的微妙線索。
“想象海洋中的波浪；我們一直看到海洋表面有波動，并且以不可預測的方式演變，”金說。“超輕暗物質暈也會發生同樣的情況，”金補充說，由此產生的波動可能會使地球和太陽之間的距離延長數百萬倍。
如果暗物質是超輕的，如果它確實表現得像波，那么科學家有可能用引力波探測器探測到它的運動。
引力波探測器前來救援

一位藝術家對歐洲航天局剛剛批準建造的天基LISA引力波探測器的印象。（圖片來源:EADS·阿斯特拉姆）
根據愛因斯坦的廣義相對論，引力波是時空結構中的波紋。
當這樣的波通過引力波探測器時，它會改變內部空間的幾何形狀，暫時改變放置在探測器內部的兩個鏡子或其他類似物體之間的距離。這種微小的變化使科學家能夠探測到引力波的存在。
在他的研究中，金提出，這個距離不僅會被引力波改變，還會被移動的暗物質波動改變，這種波動可能會用其引力場吸引鏡子，就像地球吸引圍繞它運行的天體一樣。
“這些波動在太陽系內隨機移動，并不斷轟擊引力波探測器， ”金說。
為了了解現代引力波探測器是否能在理論上探測到超輕暗物質的影響，金計算了不同大小的暗物質粒子可能如何擾亂時空。金必須探索各種質量——比電子質量小16到28個數量級。
他的理論分析表明，對于所有這些質量，現有的探測器（如激光干涉引力波天文臺（LIGO）在2015年幫助證明了引力波的存在）將無法探測到暗物質波動，因為它們的靈敏度太低。
然而，有幾個未來引力波探測器的項目將位于太空中，它們的衛星之間的距離不會像LIGO的鏡子之間的距離那樣只有幾英里，而是大約一百萬倍。如果這個距離發生了哪怕很小的變化，變化的幅度應該很大，以至于暗物質的影響應該是可以測量的。
“我發現暗物質波動轟擊可能會在引力波探測器中留下獨特的信號，未來潛在的星載探測器可能能夠測試超輕暗物質的假設， ”金說。“我的提議利用了未來的星載引力波探測器，如激光干涉儀空間天線（LISA）。“
LISA目前計劃在2030年代中期發射，這一理論可能需要十多年才能得到驗證。然而，金補充說，與此同時，可能有其他方法來檢測暗物質對時空的影響。
他說:“我目前正在研究快速旋轉的中子星的前景，作為探測這種波動的另一種方法。”