Σκοτεινή Ύλη: Οι ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων θα μπορούσαν να ρίξουν φως στη Σκοτεινή Ύλη

Μια διεθνής ομάδα επιστημόνων, στους οποίους περιλαμβάνονται και δυο φυσικοί από το Πανεπιστήμιο του Mississippi (UM), βρήκαν ότι τα ίδια όργανα που χρησιμοποιήθηκαν στην ιστορική ανακάλυψη των βαρυτικών κυμάτων που προκλήθηκαν από τη σύγκρουση μελανών οπών θα μπορούσαν να βοηθήσουν να ξεκλειδώσουν τα μυστικά της σκοτεινής ύλης, ένα μυστήριο και μέχρι τώρα μη παρατηρήσιμο συστατικό του σύμπαντος. Τα ευρήματα της έρευνας δημοσιεύονται στο τεύχος του Σεπτεμβρίου του υψηλού κύρους επιστημονικού περιοδικού Physical Review Letters (PRL).

Η φύση της σκοτεινής ύλης παραμένει άγνωστη, όμως οι επιστήμονες εκτιμούν ότι είναι πενταπλάσια από την ποσότητα της κανονικής ύλης σε όλο το σύμπαν. «Η φύση της σκοτεινής ύλης είναι ένα από τα μεγαλύτερα μυστήρια στη φυσική», λέει ο Emanuele Berti, αναπληρωτής καθηγητής φυσικής και αστρονομίας του UM. «Είναι αξιοσημείωτο ότι τώρα μπορούμε να κάνουμε σωματιδιακή φυσική – να εξερευνούμε το “πολύ μικρό” – ερευνώντας στην εκπομπή βαρυτικού κύματος από μαύρες τρύπες, τα μεγαλύτερα και απλούστερα αντικείμενα στο σύμπαν».

Το PRL είναι μια από διάφορες εκδόσεις που παράγονται από την American Physical Society και το American Institute of Physics. Περιέχει κείμενα που θεωρείται ότι αντιπροσωπεύουν σημαντικές προόδους στην έρευνα και έτσι δημοσιεύονται γρήγορα εν συντομία, σε μορφή επιστολής για ένα ευρύ ακροατήριο φυσικών. Στη μελέτη αυτή αναπτύσσονται υπολογισμοί από επιστήμονες, οι οποίοι εργάζονται σε Γερμανία, Γαλλία, Ιταλία, Πορτογαλία και ΗΠΑ, που δείχνουν ότι τα συμβολόμετρα των βαρυτικών κυμάτων μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την έμμεση ανίχνευση της παρουσίας σκοτεινής ύλης. Μια συνοδός μελέτη από την ομάδα με τίτλο «Gravitational wave searches for ultralight bosons with LIGO and LISA» έγινε δεκτή και δημοσιεύεται στο Physical Review D.

Σχηματική αναπαράσταση του νέφους που διαμορφώνεται από μια περιστρεφόμενη μαύρη τρύπα. Η μαύρη τρύπα χάνει ενέργεια E_s και στροφορμή L_s με την ανάπτυξη του νέφους και εκπέμπει βαρυτικά κύματα.

Οι υπολογισμοί δείχνουν ότι ορισμένοι τύποι σκοτεινής ύλης θα μπορούσαν να σχηματίσουν γιγάντια νέφη γύρω από αστρονομικές μαύρες τρύπες. Αν υπάρχουν υπερελαφρά βαθμωτά σωμάτια στη φύση, οι ταχύτατα περιστρεφόμενες μαύρες τρύπες θα πυροδοτούσαν την ανάπτυξη «συμπυκνωμάτων» τέτοιων βαθμίδων, σε βάρος της περιστροφικής τους ενέργειας, παράγοντας ένα νέφος που περιφέρεται γύρω από τη μαύρη τρύπα, η οποία τώρα περιστρέφεται πιο αργά και εκπέμπει βαρυτικά κύματα πάνω κάτω όπως ένας φάρος στον ουρανό. «Μια πιθανότητα είναι ότι η σκοτεινή ύλη συνίσταται από βαθμωτά πεδία όμοια με το μποζόνιο του Higgs, αλλά πολύ πιο ελαφρά από ότι τα νετρίνα», αναφέρει ο Paolo Pani, ένας από τους συγγραφείς της μελέτης. «Αυτός ο τύπος σκοτεινής ύλης είναι δύσκολο να μελετηθεί σε επιταχυντές σωματιδίων, όπως ο LHC στο CERN, όμως μπορεί να είναι προσιτός για τους ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων».

Η ομάδα, υπό την ηγεσία του Richard Brito, επίσης συγγραφέα της μελέτης, μελέτησε τα βαρυτικά κύματα που εκπέμπονται από το σύστημα «μαύρη τρύπα και νέφος». Με βάση τη μάζα των υποθετικών σωματιδίων, το σήμα είναι αρκετά ισχυρό για να ανιχνεύεται από το LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory), με τους εξοπλισμούς του σε Louisiana και Washington και τον Ευρωπαίο ομόλογό του Virgo, καθώς και τη μελλοντική διαστημική αποστολή της LISA (Laser Interferometer Space Antenna).

«Παραδόξως, βαρυτικά κύματα από πηγές που είναι τόσο ασθενείς για να είναι ξεχωριστά ανιχνεύσιμες μπορούν να παράγουν ισχυρό στοχαστικό υπόβαθρο», σημειώνει ο Brito. «Η εργασία αυτή υποστηρίζει ότι μια προσεκτική ανάλυση υποβάθρου στα δεδομένα του LIGO μπορεί να αποκλείσουν ή να ανιχνεύσουν υπερελαφρά σκοτεινή ύλη, με τα συμβολόμετρα βαρυτικών κυμάτων. Αυτό είναι ένα συναρπαστικό σύνορο στη αστροσωματιδιακή φυσική που θα μπορούσε να ρίξει φως στην κατανόηση του μικροσκοπικού σύμπαντος».

Το LIGO έχει τεθεί εκτός λειτουργίας για λίγους μήνες για αναβαθμίσεις. Η ομάδα σχεδιάζει να ανακοινώσει νέα, συναρπαστικά αποτελέσματα από το δεύτερο γύρο παρατηρήσεων, σύντομα. «Η εργασία μας δείχνει ότι προσεκτική ανάλυση σχολαστικών βαρυτικών κυμάτων στα δεδομένα που έχουν ήδη ληφθεί ίσως χρησιμοποιηθούν για να θέσουν σημαντικούς περιορισμούς στη φύση της σκοτεινής ύλης», σημειώνει ο Berti.

Πηγή: University of Mississippi

Περισσότερα στις δημοσιεύσεις:
(1) Stochastic and Resolvable Gravitational Waves from Ultralight Bosons. Physical Review Letters και
(2) Gravitational wave searches for ultralight bosons with LIGO and LISA. Physical Review D.