撰文：安德烈·费尔德曼               2024年1月30日

一张X射线图像揭示了，一个类银河系边缘的气体晕。这种光晕被认为是神秘的、看不见的暗物质的温床。（图片：美国宇航局）

一项新的理论研究表明，科学家可能很快就能使用下一代卫星，探测到宇宙中最神秘的实体。

暗物质——一种鲜为人知的物质，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丰度是普通物质的五倍多，但其组成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）中心的理论物理学家金亨镇提议，使用引力波探测器寻找暗物质粒子。引力波探测器是阿尔伯特·爱因斯坦首次预测的，用于测量时空结构中细微波纹的仪器。

波浪状暗物质

关于暗物质粒子的性质有很多假设，暗物质粒子在星系中大量积累形成所谓的晕。在2023年12月发表在《宇宙学与天体粒子物理学杂志》上的这篇新论文中，金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。

金通过电子邮件告诉《生活科学》：“超轻粒子通常出现在，许多超出标准模型理论的情况下。”他补充道，其中一些粒子是暗物质的“完美候选者”，这对这个难以捉摸的实体的行为，提出了一些有趣的启示。

金说：“与其他‘粒子’暗物质候选者不同，超轻暗物质粒子的行为，更类似于经典的（电磁）波。”

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，星系晕内暗物质的密度应该发生随机变化，挤压整个星系，并可能留下暗物质构成的微妙线索。

金说：“想象一下海洋中的波浪；我们总是看到海洋表面有波动，而且它以不可预测的方式演变。”金补充道，“超轻暗物质晕也会发生同样的情况”，由此产生的波动，可能会使地球和太阳之间的距离延长数百万倍。

如果暗物质是超轻的，并且它的行为确实像一个波浪，那么科学家可能会用引力波探测器，探测到它的运动。

引力波探测器前来救援

根据爱因斯坦的广义相对论，引力波是时-空结构中的波纹。

当这种波穿过引力波探测器时，它会改变探测器内部空间的几何形状，暂时改变探测器内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，这一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，就像地球吸引围绕它移动的天体一样。

金说：“这些波动在太阳系内随机移动，并不断轰击引力波探测器。”

为了观察现代引力波探测器，理论上是否可以探测到超轻暗物质的影响，金计算了不同大小的暗物质粒子如何扰乱时空。金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，如激光干涉仪引力波天文台（LIGO），在2015年帮助证明了引力波的存在，将无法探测到暗物质的波动，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中，它们的卫星之间的距离不会像LIGO的镜子之间的距离那样是几英里，而是大约大一百万倍。如果这个距离变化很小，那么变化的幅度应该很大，暗物质的影响应该是可以测量的。

金说：“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，未来的太空探测器可能能够测试超轻暗物质的假设。我的建议利用未来的太空引力波探测器，如激光干涉仪太空天线（LISA）。”

LISA目前计划于20世纪30年代中期推出，这一理论可能还有十多年的时间才能测试。然而，金补充道，与此同时，可能还有其他方法可以探测暗物质对时空的影响。

他说：“我目前正在研究快速旋转中子星，作为探测这种波动的另一种方法的前景。”