Ученые предложили способ найти темную материю

Новое теоретическое исследование предполагает, что ученые вскоре смогут обнаружить самое загадочное вещество во Вселенной и помогут в этом спутники следующего поколения.

Темная материя — малоизученное вещество, которое не излучает, не поглощает и не отражает свет, но оказывает явное гравитационное влияние на другую материю — доминирует во Вселенной. Несмотря на то, что ее более чем в пять раз больше в космосе, чем обычной материи, состав и свойства темной материи остаются совершенно неизвестными.

Чтобы решить эту проблему, Хенджин Ким, физик-теоретик из немецкого электронно-синхротронного ускорительного центра (DESY), предложил искать частицы темной материи с помощью детекторов гравитационных волн - приборов, предназначенных для измерения едва заметной ряби в ткани пространства-времени, которая была впервые предсказана Альбертом Эйнштейном.

Существует множество гипотез о природе частиц темной материи, которые накапливаются в огромных количествах, образуя так называемые гало в галактиках. В новой статье, опубликованной в декабре 2023 года в Журнале космологии и физики астрочастиц, Ким предположил, что эти частицы могут быть чрезвычайно легкими, как и предсказывают многие популярные теории темной материи.

"Сверхлегкие частицы часто фигурируют во многих теориях, выходящих за рамки стандартной модели", - говорит Ким. Некоторые из этих частиц являются идеальными кандидатами на роль темной материи, что приводит к некоторым интересным выводам о том, как может вести себя неуловимое вещество, добавил он.

"В отличие от других кандидатов в "частицы" темной материи, сверхлегкие частицы темной материи ведут себя более похоже на классические электромагнитные волны.

Волновые свойства темной материи могут привести к неожиданному поведению. В частности, недавние теоретические исследования предполагают, что плотность темной материи внутри галактического гало должна претерпевать случайные изменения, сталкивая целые галактики и потенциально оставляя тонкие подсказки о составе темной материи.

"Представьте волны в океане; мы все время видим колебания на поверхности океана, и они развиваются непредсказуемым образом, - объясняет Ким. - То же самое могло бы произойти и в гало сверхлегкой темной материи”. 

Если темная материя сверхлегкая и если она действительно ведет себя как волна, то ученые потенциально могут обнаружить ее движение с помощью детекторов гравитационных волн.

Согласно общей теории относительности Эйнштейна, гравитационные волны представляют собой рябь в ткани пространства-времени.

Когда такая волна проходит через детектор гравитационных волн, она изменяет геометрию пространства внутри, временно изменяя расстояние между двумя зеркалами или другими подобными объектами, размещенными внутри детектора.

Это незначительное изменение позволяет ученым обнаружить присутствие гравитационной волны.

В своем исследовании Ким предполагает, что это расстояние может быть изменено не только гравитационной волной, но и движущейся флуктуацией темной материи, которая может притягивать зеркала своим гравитационным полем, подобно тому, как Земля притягивает небесные тела, движущиеся вокруг нее.

"Эти флуктуации случайным образом перемещаются в пределах солнечной системы и непрерывно бомбардируют детекторы гравитационных волн", - считает Ким.

Чтобы узнать, могут ли современные детекторы гравитационных волн теоретически обнаружить влияние сверхлегкой темной материи, Ким подсчитал, как частицы темной материи разного размера могут возмущать пространство-время. Киму пришлось исследовать широкий диапазон масс — примерно от 16 до 28 порядков величины, меньших массы электрона.

Его теоретический анализ показал, что при всех этих массах существующие детекторы, такие как лазерный интерферометр гравитационно-волновой обсерватории (LIGO), который помог доказать существование гравитационных волн в 2015 году, не смогут обнаружить флуктуации темной материи, потому что их чувствительность слишком низкая.

Однако есть несколько проектов будущих детекторов гравитационных волн, которые будут расположены в космосе, и расстояние между их спутниками будет составлять не несколько километров, как расстояние между зеркалами LIGO, а примерно в миллион раз больше. Если это расстояние изменится даже на малую долю, величина изменения должна быть настолько велика, что влияние темной материи должно быть измеримо.

"Я обнаружил, что бомбардировка флуктуациями темной материи может оставлять отличительный сигнал в детекторах гравитационных волн, и потенциально будущие космические детекторы могли бы проверить гипотезу о сверхлегкой темной материи, - говорит Ким. - В моем предложении используются будущие космические детекторы гравитационных волн, такие как космическая антенна лазерного интерферометра (LISA)".

Запуск LISA запланирован на середину 2030-х годов, а значит до проверки этой теории может пройти более десяти лет. Однако, считает Ким, могут существовать другие способы обнаружения влияния темной материи на пространство-время.

"В настоящее время я изучаю перспективу быстро вращающихся нейтронных звезд как еще один способ исследовать такие колебания", - заключает он.