科学家将引力波探测器技术运用到了新型暗物质的探寻上

作为本世纪最大的科学突破之一，引力波探测背后的技术，现正被用于寻找难以捉摸的暗物质。在近日发表于《自然》杂志上的一项研究中，由卡迪夫大学重力探索研究所的科学家们带领的一支团队，详细介绍了他们如何使用汉诺威附近的德-英GEO600引力波探测器的数据，来寻找一种新的暗物质。

为GEO600探测器开发的新技术，亦被推广到全球其它此类系统。
虽未开展直接检测，但这种独特的搜索，还是建立新方法的第一步。通过排除某些与暗物质有关的理论，研究人员得以改进未来的宇宙成分观测。
据悉，暗物质被认为占宇宙所有物质的85%左右，但迄今从未被观察到。作为现代物理学中最大的未解之谜，一些科学家怀疑这是否与引力效应相关。例如大量不可见的物质可被用于解释为何星系会以这样的形式旋转，及其最初是如何形成的。直到最近，人们普遍认为暗物质是由重基本粒子组成的。尽管付出了很多努力，但迄今还是一无所获。现在，科学家们正转向替代理论来解释暗物质。
比如最近一个理论认为，暗物质实际上是一种被称为标量场的东西，且其表现形式为在星系（包括我们所在的银河系）周围反弹的无形波。

（图自：马克斯普朗克引力物理研究所/H.Lück/AEI）
得益于极其敏感的引力波探测器，已有多项杰出的发现得到证明。科学家们相信现有的引力波技术有真正的潜力来发现最终的暗物质、乃至找出它是由什么构成的。
如上图所示，该引力波天文台位于汉诺威以南20公里处，臂长600米。
GEO600负责人、曾于2009-2017年担任首席科学家、来自卡迪夫大学重力探索研究所的HartmutGrote表示：我们意识到该仪器可用于寻找这种新型暗物质，尽管它们最初是为探测引力波而设计的。在GEO600等激光干涉仪中，激光被分成了两束。通过在真空管中传播数百米、并在镜子之间反射，然后在探测器上相遇。
由此，科学家们可以非常准确地测量光束彼此之间的不同步程度，这本身就是光束遇到的任何干扰的代表。

研究配图-1：改进LPSD技术调谐/预期暗物质线宽/典型幅度谱
在引力波探测中，来自遥远天文事件的时空涟漪，会将激光传播的距离压缩和拉伸千分之一的质子直径。
而GEO600探测器，就被AEI科学家们用于寻找阿尔伯特·爱因斯坦预测的微小时空涟漪。

研究配图-2：基本标量场景中的标量场暗物质的函数约束
作为一款高命令度干涉仪，期间开发的大部分技术，也被用到了LIGO和Virgo引力波探测项目。
虽然其它探测器能够做到对引力波更加敏感，但GEO600的特长，就是对标量场暗物质的影响更加敏感。

研究配图-3：膨胀子/模量和弛豫光晕场景
同样来自卡迪夫大学的首席研究员SanderVermeulen表示：“标量场暗物质波将直接穿过地球和我们的仪器，从而引发镜子之类的物体发生如此轻微的振动” 。
镜子振动会以暗物质特有的方式，干扰到GEO600或LIGO探测器等仪器中的光束。这是我们应该能够探测到的东西，具体取决于暗物质的确切特性。