暗物质可能会轻轻地晃动我们周围的时空——科学家们可能最终知道如何探测它

一篇新论文表明，我们最终可能能够使用检测时空涟漪（称为引力波）的相同技术来揭示暗物质的身份。

一项新的理论研究表明，科学家们可能很快就能利用一批下一代卫星探测宇宙中最神秘的实体。

暗物质——一种人们知之甚少的物质，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——主宰着宇宙。尽管暗物质在太空中的含量比普通物质多五倍多，但暗物质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）加速器中心的理论物理学家Hyungjin Kim提出使用引力波探测器（旨在测量暗物质粒子的仪器）来寻找暗物质粒子。阿尔伯特·爱因斯坦首先预言了时空结构中的微妙涟漪。

暗物质作为波

关于暗物质粒子的性质有很多假设，暗物质粒子大量积累形成所谓的星系中的光晕。在 2023 年 12 月发表在《宇宙学与天体粒子物理学杂志》上的新论文中，Kim 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。

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“超轻粒子常见于许多超出标准模型的理论中，”金通过电子邮件告诉《生活科学》。他补充说，其中一些粒子是暗物质的“完美候选者”，这对难以捉摸的实体的行为产生了一些有趣的影响。

“与其他‘粒子’暗物质候选者不同，超轻暗物质粒子的行为与经典[电磁]波更相似，”金说。

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，星系晕内的暗物质密度应该会发生随机变化，撞击整个星系，并可能留下有关暗物质构成的微妙线索。

“想象一下海洋中的波浪；我们一直看到海洋表面存在波动，并且它以不可预测的方式演变，”金说。金补充说，“同样的情况也会发生在超轻暗物质晕中”，由此产生的波动可能会将地球和太阳之间的距离扩大数百万倍。

如果暗物质是超轻的，并且它的行为确实像波，那么科学家就有可能用引力波探测器探测到它的运动。

引力波探测器来救援

根据爱因斯坦的广义相对论，引力波是时空结构中的涟漪。

当这样的波穿过引力波探测器时，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，金表示，这个距离不仅可以通过引力波改变，还可以通过移动的暗物质波动来改变，暗物质波动可以用其引力场吸引镜子，就像地球吸引绕地球运行的天体一样它。

“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够从理论上探测超轻暗物质的影响，金计算了不同大小的暗物质粒子如何扰动时空。 Kim 必须探索大范围的质量——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（例如在 2015 年帮助证明引力波存在的激光干涉仪引力波天文台 (LIGO)）将无法探测到暗物质物质波动是因为它们的灵敏度太低。

然而，未来有几个引力波探测器项目将位于太空，它们的卫星之间的距离不会像LIGO镜子之间的距离那样是几英里，而是大约一百万英里大几倍。如果这个距离变化哪怕只有一小部分，变化的幅度也应该很大，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，并且未来的星载探测器可能能够测试超轻暗物质的假设，”金说。 “我的建议利用未来的星载引力波探测器，例如激光干涉仪空间天线（LISA）。”

目前 LISA 计划于 2030 年代中期推出，这一理论可能还需要十多年的时间才能得到检验。然而，金补充说，与此同时可能还有其他方法来检测暗物质对时空的影响。

“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，”他说。