Физики разрабатывают новые умные способы использования чрезвычайной чувствительности детекторов гравитационных волн, таких как LIGO. Но пока никаких признаков экзотики не наблюдается.
Даже самые сильные гравитационные волны, проходящие через планету, созданные отдаленными столкновениями чёрных дыр, растягивают и сжимают каждый километр земной поверхности только на одну тысячную диаметра атома. Трудно представить, насколько малы эти ряби в ткани пространства-времени, не говоря уже о том, чтобы обнаружить их.
Но в 2016 году, после того как физики потратили десятилетия на создание и тонкую настройку прибора под названием «Лазерный интерферометр гравитационно-волновой обсерватории» (LIGO), они его получили. Теперь, когда зарегистрировано почти 100 гравитационных волн, ландшафт невидимых чёрных дыр разворачивается. Но это только часть истории. Детекторы гравитационных волн подхватывают некоторые дополнительные «сигналы». «Люди начали спрашивать: «Может быть, мы получаем от этих машин нечто большее, чем просто гравитационные волны?» — говорит Рана Адхикари, физик из Калифорнийского технологического института.
Вдохновлённые чрезвычайной чувствительностью этих детекторов, исследователи разрабатывают способы их использования для поиска других неуловимых явлений: прежде всего, тёмной материи, несветящегося вещества, которое удерживает галактики вместе.
В декабре группа под руководством Хартмута Гроте из Университета Кардиффа сообщила в Nature, что они использовали детектор гравитационных волн для поиска тёмной материи скалярного поля, менее известного кандидата на недостающую массу в галактиках и вокруг них.
Команда не нашла сигнал, что исключило большой класс скалярных моделей тёмной материи. Теперь вещество может существовать только в том случае, если оно очень слабо воздействует на обычную материю — по крайней мере, в миллион раз слабее, чем считалось возможным ранее. «Это очень хороший результат», — сказал Кит Райлс, гравитационно-волновой астроном из Мичиганского университета, не участвовавший в исследовании.
Фото: popmech.ru
Ещё несколько лет назад главным кандидатом на роль тёмной материи была медленно движущаяся слабо взаимодействующая частица, похожая на другие элементарные частицы, — что-то вроде тяжёлого нейтрино. Но экспериментальные поиски этих так называемых вимпов продолжают оставаться безрезультатными, освобождая место для множества альтернатив. «Мы как бы достигли той стадии поиска тёмной материи, когда мы ищем повсюду», — сказала Кэтрин Зурек, физик-теоретик из Калифорнийского технологического института.
В 1999 году трое физиков предположили, что тёмная материя может состоять из частиц, которые настолько легки и многочисленны, что их лучше всего рассматривать вместе, как поле энергии, пронизывающее Вселенную. Это «скалярное поле» имеет значение в каждой точке пространства, и это значение колеблется с характерной частотой. Тёмная материя скалярного поля слегка изменит свойства других частиц и фундаментальных взаимодействий. Масса электрона и сила электромагнитного взаимодействия, например, будут колебаться с амплитудой колебаний скалярного поля.
В течение многих лет физики задавались вопросом, могут ли детекторы гравитационных волн обнаружить такое колебание. Эти детекторы обнаруживают небольшие возмущения с помощью подхода, называемого интерферометрией. Во-первых, лазерный свет попадает в «расщепитель луча», который разделяет свет, направляя лучи в двух направлениях под прямым углом друг к другу, как плечи буквы L. Лучи отражаются от зеркал на концах обоих плеч, а затем возвращаются в шарнир L и рекомбинируются. Если возвращающиеся лазерные лучи были рассинхронизированы — например, проходящей гравитационной волной, которая ненадолго удлиняет одно плечо интерферометра, сжимая другое — формируется отчётливая интерференционная картина из тёмных и светлых полос.
Может ли тёмная материя скалярного поля рассинхронизировать лучи и вызвать интерференционную картину? «Распространённое мнение, — сказал Гроте, — заключалось в том, что любые искажения повлияют на обе части в равной степени, уравновешивая друг друга». Но затем в 2019 году Гроте осознал. «Однажды утром я проснулся, и мне внезапно пришла в голову мысль: светоделитель — это именно то, что нам нужно».
Светоделитель представляет собой блок стекла, который действует как негерметичное зеркало, отражая в среднем половину света, падающего на его поверхность, в то время как другая половина проходит сквозь него. Если присутствует тёмная материя скалярного поля, то всякий раз, когда поле достигает своей максимальной амплитуды, сила электромагнитного взаимодействия ослабевает; Гроте понял, что это приведёт к сжатию атомов в стеклянном блоке. Когда амплитуда поля падает, стеклянный блок расширяется. Это колебание слегка сместит расстояние, пройденное отражённым светом, не влияя на прошедший свет; таким образом, появится интерференционная картина.
С помощью компьютеров Сандер Вермюлен, аспирант Гроте, просмотрел данные с детектора гравитационных волн GEO600 в Германии в поисках интерференционных картин, возникающих в результате нескольких миллионов различных частот тёмной материи скалярного поля. Он ничего не видел. «Это разочаровывает, потому что, если вы найдете тёмную материю, это будет открытие десятилетий», — сказал Вермюлен.
Фото: popmech.ru
Но поиски были всего лишь «рыболовной экспедицией», — сказал Зурек. Частота скалярного поля и сила его воздействия на другие частицы (и, следовательно, на светоделитель) могут быть практически любыми. GEO600 обнаруживает только определённый диапазон частот. По этой причине неспособность обнаружить тёмную материю скалярного поля с помощью детектора GEO600 не исключает её существования. «Это скорее демонстрация того, что теперь у нас есть новый инструмент для поиска тёмной материи», — сказал Гроте. «Мы продолжим поиски». Он также планирует использовать интерферометры для поиска аксионов, ещё одного популярного кандидата в тёмную материю.
Тем временем Райлз и его коллеги искали признаки «тёмных фотонов» в данных LIGO, у которой есть детекторы в Ливингстоне, Луизиана, и Хэнфорде, Вашингтон, а также её партнёра, детектора Virgo недалеко от Пизы, Италия.
Тёмные фотоны — это гипотетические светоподобные частицы, которые в основном будут взаимодействовать с другими частицами тёмной материи, но иногда будут сталкиваться с нормальными атомами. Если они повсюду вокруг нас, то в любой момент они будут толкать одно зеркало в интерферометре больше, чем другое, изменяя относительную длину плеч. «Будет иметь место дисбаланс в одном направлении, просто случайные колебания», — сказал Райлз. — Значит, ты пытаешься этим воспользоваться».
Длины волн тёмных фотонов могут быть такими же широкими, как у Солнца, поэтому любые случайные флуктуации, возмущающие зеркала интерферометра в Хэнфорде, будут иметь такой же эффект на детекторе Ливингстона, который находится на расстоянии почти 5000 километров, и коррелированные эффекты в Пизе. Но исследователи не обнаружили таких корреляций в данных. Их результат, о котором сообщалось в прошлом году, означает, что тёмные фотоны, если они реальны, должны быть как минимум в 100 раз слабее, чем предполагалось ранее.
Адхикари предполагает, что детекторы гравитационных волн могли бы даже находить частицы тёмной материи «размером с человека» и весом в сотни килограммов. Пролетая через детектор, эти тяжёлые частицы будут гравитационно притягивать зеркала LIGO и лазерные лучи. «Вы увидите небольшое мерцание мощности луча, когда частица пролетит», — сказал Адхикари. «Весь L-образный детектор — это своего рода сеть, которая может поймать эти частицы».
Что ещё могли уловить эти чувствительные приборы
Адхикари разрабатывает новый интерферометр в Калифорнийском технологическом институте, чтобы искать признаки того, что пространство-время состоит из пикселей, как предполагают некоторые квантовые теории гравитации. «Это всегда мечта физиков. Можем ли мы измерить квантовую гравитацию в лаборатории?» Общепринятое мнение гласит, что детектор, способный исследовать такие крошечные расстояния, был бы настолько большим, что под собственным весом рухнул бы в чёрную дыру. Зурек, однако, работает над идеей, которая позволит обнаружить квантовую гравитацию с помощью установки Адхикари или другого эксперимента в лаборатории Гроте в Кардиффе.
В других теориях квантовой гравитации пространство-время не пикселизировано; вместо этого это трёхмерная голограмма, возникающая из двумерной системы квантовых частиц. Цурек считает, что это тоже можно обнаружить с помощью детекторов гравитационных волн. Небольшие квантовые флуктуации в 2D-пространстве будут усиливаться при голографической проекции в 3D, потенциально создавая волны в пространстве-времени, достаточно большие, чтобы их мог уловить интерферометр.
«Когда мы начали работать над этим, люди говорили: «О чем вы говорите? Вы совсем спятили, — сказал Зурек. «Теперь люди начинают слушать».