Детектори гравітаційних хвиль нового покоління можуть виявити темну матерію

Гравітаційна астрономія є відносно новою дисципліною, яка відкрила багато дверей для астрономів, щоб зрозуміти, як працює величезний і жорстокий кінець масштабу. Його використовували для картографування злиття чорних дір та інших екстремальних явищ у Всесвіті. Тепер команда з Інституту теоретичної фізики Уолтера Берка при Каліфорнійському технічному університеті вважає, що у них є нове застосування нової технології – обмеження властивостей темної матерії.

Як ми неодноразово повідомляли раніше, темна матерія — це речовина, яка становить більшу частину маси у Всесвіті, але невидима для звичайних електромагнітних хвиль, що робить її буквально неможливою для нас «бачити» так, як ми зазвичай подумай про це. Однак ці частинки, якщо вони насправді є такими, взаємодіють з іншою фундаментальною силою – гравітацією.

Що зробило б їх потенційною мішенню для досліджень обсерваторій гравітаційних хвиль (GW). Але в основі цієї роботи є кілька припущень. По-перше, темна матерія — це «макро» явище, тобто воно не підвладне світу квантової механіки. Гравітаційні хвилі, ймовірно, працюватимуть лише на те, що автори назвали надважкою темною матерією, що в їх контексті стосується маси самих статей.

Що насправді являють собою гравітаційні хвилі.

Інтерферометри, призначені для виявлення гравітаційних шляхів, потенційно можуть вловлювати сигнали, на які впливають частки, які є достатньо важкими, щоб потрапити в цю категорію. Зокрема, ці частинки впливатимуть на три різні характеристики гравітаційної хвилі, дві з яких автори обчислюють вперше,

По-перше, це ефект Доплера, про який дізнається кожен учень фізики середньої школи, як правило, на прикладі того, як машини швидкої допомоги звучать по-різному, коли вони їдуть до вас і коли від’їжджають від вас. Те саме явище відбувається з гравітаційними хвилями, оскільки вони однаково впливають на простір-час залежно від того, як їх джерело переміщується відносно обсерваторії GW.

Для більш тонкого погляду на те, що темна матерія може впливати на GW, автори розглядають затримку Шапіро та Ейнштейна. Затримка Шапіро – це зміна того, скільки часу потрібно сигналу для проходження від одного кінця інтерферометра до іншого. Це можна змінити залежно від того, чи є ущільнення простору-часу десь уздовж плеча інтерферометра. З іншого боку, затримка Ейнштейна є фактичною затримкою годинника, який інтерферометр використовує для вимірювання гравітаційних хвиль. Однак цей ефект нівелюється в конкретних конфігураціях інтерферометра.

Те, що автори виводять із усього цього, полягає в тому, що сучасні обсерваторії GW, які, як очікується, незабаром запрацюють, такі як гравітація з експерименту Quantum Entanglement of Space-Time (GQuEST) у Каліфорнійському технологічному інституті, повинні мати можливість виявляти транзитну темну матерію, якщо вона є досить великий, щоб вважатися «надважким». Але в статті є ще один нюанс, який інтригує і вказує на потенційно більш глибоке розуміння основної фізики,

Студентів-фізиків у всьому світі навчають про фундаментальні сили – гравітацію, електромагнетизм, сильні та слабкі ядерні сили. Але, можливо, існує п’ята сила, яку ми досі не бачили. Ця сила, відома як взаємодія Юкави, є теоретичною п’ятою фундаментальною силою, яка діє між темною матерією та більш традиційними типами частинок, більш знайомими студентам класичної фізики – у теоретичній фізиці вони відомі як баріони. Поки що не було переконливих доказів існування цієї сили, але деякі експерименти почали працювати над її обмеженням. Згідно з документом, якщо він існує, ці ж детектори GW можуть зіграти певну роль у його подальшому стримуванні.

Знайти нову фундаментальну силу та розгадати таємницю, яка десятиліттями мучила теоретичну фізику, є важким тягарем для відносно нової науки. Але саме таким чином наука рухається вперед – використовуючи нові технології для подальших вимірювань і доведення чи спростування нових теорій. Тепер, після довгого часу, настав час гравітаційної астрономії сяяти. Джерело