Oamenii de știință ar putea fi în curând capabili să detecteze cea mai misterioasă entitate din univers folosind o flotă de sateliți de generație următoare, sugerează un nou studiu teoretic.
Materie întunecată — o substanță prost înțeleasă care nu emite, absoarbe sau reflectă lumină, dar exercită o influență gravitațională clară asupra altei materii — domină universul. În ciuda faptului că este de peste cinci ori mai abundentă în spațiu decât materia obișnuită, compoziția și proprietățile materiei întunecate rămân complet necunoscute.
Pentru a rezolva această problemă, Hyungjin Kim un fizician teoretician de la centrul de accelerație german cu sincrotroni electronici (DESY), a propus căutarea particulelor de materie întunecată folosind undă gravitațională detectoare – instrumente concepute pentru a măsura ondulațiile subtile din țesătura spațiu-timp care au fost prezise pentru prima dată de Albert Einstein.
Materia întunecată ca valurile
Există multe ipoteze despre natura particulelor de materie întunecată, care se acumulează în cantități uriașe pentru a forma așa-numitele halouri în galaxii. În noua lucrare, publicată în decembrie 2023 în Jurnal de Cosmologie și Fizica AstroparticulelorKim a presupus că aceste particule pot fi extrem de ușoare, așa cum prevăd multe teorii populare ale materiei întunecate.
Legate de: Fizicienii vor să folosească undele gravitaționale pentru a „vedea” începutul timpului
„Particulele ultra-ușoare apar frecvent în multe teorii care depășesc modelul standard”, a spus Kim pentru LiveScience prin e-mail. Unele dintre aceste particule sunt „candidații perfecți” pentru materia întunecată, ridicând unele implicații interesante asupra modului în care s-ar putea comporta entitatea evazivă, a adăugat el.
„Spre deosebire de alți candidați de materie întunecată „particule”, particulele de materie întunecată ultrauşoare se comportă mai similar cu cele clasice. [electromagnetic] valuri”, a spus Kim.
Proprietățile ondulatorii ale materiei întunecate ar putea duce la comportamente neașteptate. În special, studii teoretice recente sugerează că densitatea materiei întunecate într-un halou galactic ar trebui să sufere modificări aleatorii, împingând galaxii întregi și lăsând potențial indicii subtile despre machiajul materiei întunecate.
„Imaginați-vă valurile în ocean; vedem tot timpul că există fluctuații la suprafața oceanului și evoluează în moduri imprevizibile”, a spus Kim. „Același lucru s-ar întâmpla și în haloul de materie întunecată ultraluminoasă”, cu fluctuațiile rezultate potențial extinzându-se de milioane de ori distanța dintre Pământ și Soare, a adăugat Kim.
Dacă materia întunecată este ultra ușoară și dacă se comportă într-adevăr ca o undă, atunci oamenii de știință ar putea detecta mișcările ei cu ajutorul detectoarelor de unde gravitaționale.
Detectoarele de unde gravitaționale vin în ajutor
Conform teoriei lui Einstein despre relativitatea generalăundele gravitaționale sunt ondulații în țesătura spațiu-timpului.
Când o astfel de undă trece printr-un detector de unde gravitaționale, modifică geometria spațiului din interior, modificând temporar distanța dintre două oglinzi sau alte obiecte similare plasate în interiorul detectorului. Această schimbare minuțioasă le permite oamenilor de știință să detecteze prezența undei gravitaționale.
În studiul său, Kim sugerează că această distanță ar putea fi modificată nu numai de o undă gravitațională, ci și de o fluctuație în mișcare a materiei întunecate, care ar putea atrage oglinzile cu câmpul gravitațional la fel ca Pământul. atrage corpurile cerești călătorind în jurul lui.
„Aceste fluctuații se mișcă aleatoriu în interiorul sistem solarși bombardează continuu detectoarele de unde gravitaționale”, a spus Kim.
Pentru a vedea dacă detectoarele moderne de unde gravitaționale ar putea detecta teoretic influența materiei întunecate ultraluminoase, Kim a calculat modul în care particulele de materie întunecată de dimensiuni diferite ar putea perturba spațiu-timp. Kim a trebuit să exploreze o gamă largă de mase – cu aproximativ 16 până la 28 de ordine de mărime mai mică decât masa unui electron.
Analiza sa teoretică a arătat că pentru toate aceste mase, detectoare existente cum ar fi Observatorul cu unde gravitaționale cu interferometru cu laser (LIGO), care a ajutat la demonstrarea existenței undelor gravitaționale în 2015, nu ar putea detecta fluctuațiile materiei întunecate, deoarece sensibilitatea lor este prea scăzută.
Cu toate acestea, există mai multe proiecte pentru viitor detectoare de unde gravitaționale care vor fi amplasate în spațiu, iar distanța dintre sateliții lor nu va fi de câteva mile, ca distanța dintre oglinzile lui LIGO, ci de aproximativ un milion de ori mai mare. Dacă această distanță se modifică chiar și cu o mică fracțiune, amploarea schimbării ar trebui să fie atât de mare încât influența materiei întunecate ar trebui să fie măsurabilă.
„Ceea ce am descoperit este că bombardamentul cu fluctuațiile materiei întunecate ar putea lăsa un semnal distinctiv în detectoarele de unde gravitaționale și, potențial, viitoarele detectoare din spațiu ar putea testa ipoteza materiei întunecate ultraușoare”, a spus Kim. „Propunerea mea utilizează viitorii detectoare de unde gravitaționale transportate în spațiu, cum ar fi Antenă spațială cu interferometru laser (LISA).”
Având în vedere că LISA este programată în prezent să se lanseze la mijlocul anilor 2030, această teorie ar putea fi mai mult de un deceniu de a fi testabilă. Cu toate acestea, a adăugat Kim, între timp pot exista și alte modalități de a detecta influența materiei întunecate asupra spațiu-timpului.
„În prezent investighez perspectiva unei rotații rapide stele neutronice ca o altă modalitate de a sonda astfel de fluctuații”, a spus el.