Нове дослідження передбачає, що ми зможемо розкрити природу темної матерії за допомогою тієї ж технології, яка виявляє брижі в просторі-часі, відомі як гравітаційні хвилі.

Темна матерія — маловивчена субстанція, яка не випромінює, не поглинає і не відбиває світло, але справляє явний гравітаційний вплив на іншу матерію — домінує у Всесвіті. Хоча темної матерії в космосі вп’ятеро більше, ніж звичайної матерії (речовини), її склад і властивості досі абсолютно невідомі.

Щоб вирішити цю проблему, Гюнджин Кім (Hyungjin Kim), фізик-теоретик із прискорювального центру Німецького електронного синхротрона (German Electron Synchrotron, DESY), запропонував шукати частинки темної матерії за допомогою детекторів гравітаційних хвиль — інструментів, призначених для вимірювання тонких брижів у тканині простору-часу, які вперше передбачив Альберт Айнштайн.

Темна матерія як хвилі

Існує багато гіпотез щодо природи частинок темної матерії, які накопичуються у величезних кількостях, утворюючи так звані гало галактик. У новій статті, опублікованій у грудні 2023 року в Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, Кім припустив, що ці частинки можуть бути надзвичайно легкими, як і передбачають багато поширених теорій темної матерії.

«Надлегкі частинки зазвичай фігурують в багатьох теоріях, що виходять за межі стандартної моделі», — сказав Кім. Окремі з цих частинок є «ідеальними кандидатами» на роль темної матерії, які спричиняють деякі цікаві наслідки щодо того, як може поводитися невловима сутність, додав він. «На відміну від інших частинок-кандидатів у носії темної матерії, надлегкі частинки поводяться більш подібно до класичних [електромагнітних] хвиль», — зазначив Кім.

Хвильові властивості темної матерії можуть спричинити несподівану поведінку. Зокрема, останні теоретичні дослідження показують, що щільність темної матерії в галактичному гало має зазнавати випадкових змін. Це може впливати на рух усієї галактики і давати потенційно тонкі підказки про склад темної матерії.

«Уявіть собі хвилі в океані; ми бачимо, що на поверхні океану постійно відбуваються коливання, і він розвивається непередбачуваним чином», — сказав Кім. «Те ж саме станеться в гало надлегкої темної матерії», — додав науковець.

Якщо темна матерія є надлегкою і якщо вона справді поводиться як хвиля, то вчені потенційно можуть виявити її рух за допомогою детекторів гравітаційних хвиль.

На допомогу приходять детектори гравітаційних хвиль

Уявлення художника про космічний детектор гравітаційних хвиль LISA, будівництво якого на початку 2024 р. схвалило Європейське космічне агентство. Авторські права на зображення: EADS ASTRUM. Фото з сайту www.space.com.

Згідно із загальною теорією відносності Айнштайна, гравітаційні хвилі — це брижі в тканині простору-часу. Коли така хвиля проходить через детектор гравітаційних хвиль, вона змінює геометрію простору всередині, тимчасово змінюючи відстань між двома дзеркалами або іншими об’єктами, розміщеними всередині детектора. Ця короткочасна зміна дає змогу науковцям виявити наявність гравітаційної хвилі.

У своєму дослідженні Кім припускає, що ця відстань може бути змінена не тільки гравітаційною хвилею, але й внаслідок зміни (флуктуації) руху темної матерії, яка може притягувати дзеркала своїм гравітаційним полем так само, як Земля притягує небесні тіла, що рухаються навколо неї.

Щоб з’ясувати, чи можуть сучасні детектори гравітаційних хвиль теоретично виявити вплив надлегкої темної матерії, Кім підрахував, як частинки темної матерії різного розміру можуть збурювати простір-час. Він розглянув частинки в широкому діапазоні мас — приблизно від 16 до 28 порядків менших за масу електрона.

Його теоретичний аналіз показав, що для всіх цих мас наявні детектори, такі як Лазерна інтерферометрична гравітаційно-хвильова обсерваторія (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, LIGO), яка допомогла довести існування гравітаційних хвиль у 2015 році, не зможуть виявити флуктуації темної матерії, оскільки їхня чутливість надто низька.

Однак є кілька проєктів майбутніх детекторів гравітаційних хвиль, які будуть розташовані в космосі, і відстань між космічними апаратами буде не кілька кілометрів, як відстань між дзеркалами LIGO, а приблизно в мільйон разів більше. Якщо ця відстань змінюється навіть на невелику частку, величина зміни має бути такою великою, що вплив темної матерії можна виміряти.

«Я виявив, що флуктуації руху темної матерії можуть залишити характерний сигнал у детекторах гравітаційних хвиль, і потенційно майбутні космічні детектори зможуть перевірити гіпотезу надлегкої темної матерії», — сказав Кім. «Моя пропозиція зводиться до потреби використання майбутніх космічних детекторів гравітаційних хвиль, таких як Космічна антена лазерного інтерферометра (Laser Interferometer Space Antenna, LISA)».

Запуск LISA наразі запланований на середину 2030-х років, тому до перевірки цієї теорії може залишитися більше десяти років. Однак, додав Кім, тим часом можуть існувати інші способи виявлення впливу темної матерії на простір-час.

«Зараз я досліджую перспективу нейтронних зір, що швидко обертаються, як ще один спосіб дослідити такі коливання», — сказав він.

За інф. з сайту www.space.com