آشکارسازهای امواج گرانشی شاید بتوانند ماده تاریک را کشف کنند

دانشمندان احتمالاً به‌زودی بتوانند اسرارآمیزترین جرم در کل جهان را با استفاده از مجموعه‌ای از ماهواره‌های نسل بعدی کشف کنند.

ماده‌ی اسرارآمیز تاریک، هیچ نوری را جذب، منتشر یا منعکس نمی‌کند، اما نیروی گرانشی واضحی را بر دیگر مواد وارد می‌کند. با اینکه مقدار ماده‌ی تاریک در جهان پنج برابر ماده معمولی است، ترکیب و خواص آن هنوز ناشناخته باقی مانده‌اند.

هیونجین کیم، فیزیکدان تئوری مرکز شتاب‌سنج سنکروترون آلمان (DESY) برای حل معمای ماده‌ی تاریک، جست‌وجوی ذرات ماده‌ی تاریک را از طریق آشکارسازهای امواج گرانشی پیشنهاد می‌دهد. این ابزارها برای اندازه‌گیری نوسان‌های ظریف در بافت فضازمان که برای اولین بار آلبرت اینشتین آن‌ها را پیش‌بینی کرد، طراحی شده‌اند.

فرضیه‌های زیادی درباره ماهیت ذرات ماده تاریک وجود دارد که در مقادیر بالا برای شکل‌گیری هاله‌های کهکشانی گرد هم آمده‌اند. براساس مقاله کیم در دسامبر ۲۰۲۳، ذرات یادشده ممکن است مطابق با پیش‌بینی‌های بسیاری از نظریه‌های رایج ماده‌ تاریک، بسیار سبک باشند.

کیم به لایوساینس گفت: «ذره‌های فوق سبک در بسیاری از نظریه‌های فراتر از مدل استاندارد ظاهر می‌شوند.» وی افزود برخی از این ذرات، نامزدهای کامل برای ماده تاریک هستند و جنبه‌های نهفته‌ی جالبی از چگونگی رفتار این ماده‌ی گریزان ارائه می‌دهند. ذرات فوق‌سبک ماده تاریک برخلاف سایر نامزدهای ماده تاریک، رفتاری شبیه‌تر به امواج الکترومغناطیسی دارند.

خواص موجی ماده‌ی تاریک می‌تواند به رفتارهای غیرمنتظره‌ای بینجامند. به‌ویژه پژوهش‌های جدیدتر نشان می‌دهند که چگالی ماده‌ی تاریک درون یک هاله کهکشانی باید دستخوش تغییرات تصادفی شود، کل کهکشان را تکان دهد و به‌طور بالقوه سرنخ‌های ظریفی درباره‌ی ترکیب ماده تاریک به‌جا بگذارد.

برای مثال امواج داخل اقیانوس را در نظر بگیرید؛ به‌وضوح می‌توان نوسان‌های سطح اقیانوس و تغییرات غیرقابل پیش‌بینی آن را دید. همین فرایند در هاله‌ی کهکشانی فوق سبک رخ می‌دهد و نوسان‌های حاصل از آن تا میلیون‌ها واحد نجومی (یک واحد نجومی برابر است با فاصله میان زمین و خورشید) گسترش می‌یابند.

اگر ماده تاریک، فوق سبک باشد و مانند موج رفتار کند دانشمندان می‌توانند حرکت آن را با آشکارسازهای موج گرانشی آشکار کنند.

براساس نظریه‌ی نسبیت عام اینشتین، امواج گرانشی نوسان‌هایی در تاروپود فضازمان هستند. وقتی چنین موجی از آشکارساز موج گرانشی عبور کند، هندسه‌ی فضای داخل آن را تغییر می‌دهد و به‌طور موقت فاصله‌ی بین دو آینه یا دیگر اشیای مشابه درون آشکارساز را اصلاح می‌کند. این تغییر کوچک به دانشمندان امکان می‌دهد تا حضور امواج گرانشی را تشخیص دهند.

کیم در پژوهش خود نشان می‌دهد که فاصله‌ی یادشده نه‌تنها به‌وسیله‌ی موج گرانشی، بلکه با نوسانات ماده تاریک نیز تغییر می‌کند. ماده تاریک می‌تواند درست مثل زمین که اجرام آسمانی را به سمت خود می‌کشاند، آینه‌ها را با میدان گرانشی‌اش جذب کند. کیم می‌گوید:

این نوسان‌ها به‌صورت تصادفی در منظومه‌ی شمسی حرکت می‌کنند و آشکارسازهای امواج گرانشی را به‌صورت پیوسته بمباران می‌کنند.

کیم برای اینکه ببیند آیا آشکارسازهای امواج گرانشی کنونی می‌توانند تأثیر ماده‌ی تاریک فوق سبک را از نظر تئوری تشخیص دهند یا نه، محاسبه کرد که چگونه ذرات ماده‌ی تاریک با اندازه‌های مختلف ممکن است فضازمان را مختل کنند. او مجبور شد طیف گسترده‌ای از جرم‌ها از حدود ۱۶ تا ۲۸ مرتبه‌ کوچک‌تر از جرم یک الکترون را بررسی کند.

تجزیه‌وتحلیل نظری کیم نشان داد که آشکارسازهای موجود مثل رصدخانه امواج گرانشی تداخل‌سنج لیزری (LIGO) که در سال ۲۰۱۵ به اثبات وجود امواج گرانشی کمک کرد، به دلیل حساسیت بسیار پایین نمی‌توانند نوسان‌های ماده تاریک را آشکار کنند.

بااین‌حال، پروژه‌های آینده به آشکارسازهای فضایی اختصاص خواهند یافت و فاصله‌ی بین ماهواره‌ها مانند فاصله‌ی بین آینه‌های LIGO در حد چند کیلومتر نخواهد بود، بلکه تقریباً به یک میلیون برابر خواهد رسید. اگر این فاصله حتی به اندازه‌ی کسر کوچکی تغییر کند، دامنه‌ی تغییرات به قدری بزرگ خواهد بود که تأثیر ماده تاریک به‌خوبی حس می‌شود.

بر اساس برنامه‌ریزی‌ها، LISA در اواسط دهه‌ی ۲۰۳۰ پرتاب خواهد شد و با توجه به این مسئله فرضیه‌ی کیم بیش از یک دهه با آزمایش واقعی فاصله دارد. بااین‌حال در شرایط فعلی روش‌های دیگری برای کشف تأثیر ماده‌ی تاریک بر فضا زمان وجود دارد که شامل بررسی ستاره‌های نوترونی با سرعت چرخش بالا است.