暗物质可能会在我们周围的时空轻轻摇摆——科学家可能最终知道如何检测它

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一张X射线图像揭示了一个类似银河系的星系边缘的气体晕。这种光环被认为是神秘的、不可见的暗物质的温床。（图片来源:美国国家航空航天局）

（）据美国太空网（安德烈·费尔德曼）：一项新的理论研究表明，科学家可能很快就能利用一批下一代卫星探测到宇宙中最神秘的实体。

暗物质——一种我们知之甚少的物质，它不发射、吸收或反射光，但对其他物质产生明显的引力影响——主导着宇宙。尽管暗物质在空间中的含量是普通物质的五倍多，但它的成分和性质仍然完全未知。

为了解决这个问题，德国电子同步加速器（DESY）中心的理论物理学家金亨进提议使用引力波探测器来寻找暗物质粒子。引力波探测器是一种旨在测量时空结构中细微波纹的仪器，首次被阿尔伯特·爱因斯坦预测到。

暗物质作为波

关于暗物质粒子的性质有许多假设，暗物质粒子大量积累，在星系中形成所谓的晕。在2023年12月发表在《宇宙学和天体粒子物理学杂志》上的新论文中，金假设这些粒子可能非常轻，正如许多流行的暗物质理论所预测的那样。

“超轻粒子通常出现在许多超越标准模型的理论中，”Kim通过电子邮件告诉LiveScience。他补充说，其中一些粒子是暗物质的“完美候选者”，对这种难以捉摸的实体可能的行为提出了一些有趣的暗示。

“与其他‘粒子’暗物质候选者不同，超轻暗物质粒子的行为更类似于经典（电磁）波，”Kim说。

暗物质的波动特性可能会导致意想不到的行为。特别是，最近的理论研究表明，星系晕内暗物质的密度应该发生随机变化，推挤整个星系，并可能留下暗物质组成的微妙线索。

“想象海洋中的波浪；我们一直看到海洋表面有波动，并且以不可预测的方式演变，”金说。“超轻暗物质晕也会发生同样的情况，”金补充说，由此产生的波动可能会使地球和太阳之间的距离延长数百万倍。

如果暗物质是超轻的，如果它确实表现得像波，那么科学家有可能用引力波探测器探测到它的运动。

引力波探测器前来救援



一位艺术家对欧洲航天局刚刚批准建造的天基LISA引力波探测器的印象。（图片来源:EADS·阿斯特拉姆）

根据爱因斯坦的广义相对论，引力波是时空结构中的波纹。

当这样的波通过引力波探测器时，它会改变内部空间的几何形状，暂时改变放置在探测器内部的两个镜子或其他类似物体之间的距离。这种微小的变化使科学家能够探测到引力波的存在。

在他的研究中，金提出，这个距离不仅会被引力波改变，还会被移动的暗物质波动改变，这种波动可能会用其引力场吸引镜子，就像地球吸引围绕它运行的天体一样。

“这些波动在太阳系内随机移动，并不断轰击引力波探测器，”金说。

为了了解现代引力波探测器是否能在理论上探测到超轻暗物质的影响，金计算了不同大小的暗物质粒子可能如何扰乱时空。金必须探索各种质量——比电子质量小16到28个数量级。

他的理论分析表明，对于所有这些质量，现有的探测器（如激光干涉引力波天文台（LIGO）在2015年帮助证明了引力波的存在）将无法探测到暗物质波动，因为它们的灵敏度太低。

然而，有几个未来引力波探测器的项目将位于太空中，它们的卫星之间的距离不会像LIGO的镜子之间的距离那样只有几英里，而是大约一百万倍。如果这个距离发生了哪怕很小的变化，变化的幅度应该很大，以至于暗物质的影响应该是可以测量的。

“我发现暗物质波动轰击可能会在引力波探测器中留下独特的信号，未来潜在的星载探测器可能能够测试超轻暗物质的假设，”金说。“我的提议利用了未来的星载引力波探测器，如激光干涉仪空间天线（LISA）。“

LISA目前计划在2030年代中期发射，这一理论可能需要十多年才能得到验证。然而，金补充说，与此同时，可能有其他方法来检测暗物质对时空的影响。

他说:“我目前正在研究快速旋转的中子星的前景，作为探测这种波动的另一种方法。”