Astronomiområdet har revolutionerats, tack vare den första detekteringen av gravitationsvågor (GW) någonsin. Sedan den första upptäckten gjordes i februari 2016 av forskare vid Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO), flera gravitationshändelser har upptäckts. Dessa har gett insikt i ett fenomen som förutspåddes för över ett sekel sedan av Albert Einstein.

Som det visar sig, infrastrukturen som används för att upptäcka GW kan också knäcka ett annat astronomiskt mysterium:mörk materia. Enligt en ny studie av ett team av japanska forskare, laserinterferometrar kan användas för att leta efter svagt interagerande massiva partiklar (WIMPs), en stor kandidatpartikel i jakten på mörk materia.

För att sammanfatta, WIMPS är en teoretisk elementarpartikel som interagerar med normal materia (baryonisk) endast genom den "svaga" gravitationskraften. Som med andra elementarpartiklar som ingår i standardmodellen (av vilka WIMPS inte är), de skulle ha skapats under det tidiga universum när kosmos var extremt hett.

WIMPs är i huvudsak den mikroskopiska kandidatpartikeln, vilket placerar dem i den motsatta änden av spektrumet från den andra stora kandidaten - de makroskopiska massiva kompakta haloobjekten (MACHO). Än så länge, flera experiment har utförts för att hitta dessa partiklar, allt från partikelkollisioner och indirekta detektioner till mer direkta metoder, men resultaten har i stort sett varit ofullständiga.

Som Dr Satoshi Tsuchida, en professor i fysik vid Osaka City University och huvudförfattaren till studien, berättade Universum idag via e-post:

"[De flesta] MACHOs tros bestå av baryonisk materia, men baryoner står för bara 5 procent av universum. Således, vi kan inte förklara strukturen av det nuvarande universum om all mörk materia består av MACHO. Å andra sidan, WIMPs är icke-baryonisk materia, och vi har ingen anledning att utesluta [dem] från mörk materia... Därför, WIMPs kan vara lovande kandidater för mörk materia."

För deras studiers skull, forskargruppen (som inkluderar medlemmar från Osaka Universitys Nambu Yoichiro Institute of Theoretical and Experimental Physics och Ritsumeikan University) föreslår en ny sökmetod som drar fördel av de senaste framstegen inom gravitationsvågsdetektion. Använder samma metod för att upptäcka krusningar i rum-tid, de hävdar att WIMPs också kunde upptäckas för första gången.

Detta skulle utgöra ett tillvägagångssätt för "direkt detektering" med hjälp av laserinterferometrar, en metod som har föreslagits tidigare. Dock, denna metod har ännu inte testats, delvis för att forskare ännu inte har beräknat vilka typer av signaler som kommer att orsakas av direkta interaktioner mellan WIMPs och nukleoner i en laserinterferometers spegel.

Dock, forskargruppen hävdar att rörelserna hos en pendel och spegel i en GW-detektor kommer att bli exciterade på grund av en kollision. Forskargruppen analyserade dessa rörelser och uppskattade hur detekterbara de skulle vara för ett system av mycket sofistikerade sensorer som de som används av LIGO och andra GW-detektorer.

Från detta, teamet kunde tillhandahålla ett ramverk som kunde komma väl till pass för framtida forskning. "Således, vår metod kan [ge] lite ny kunskap för mörk materia [forskning], ", sa Dr. Satoshi. "Nästa generations GW-detektorer har bättre känslighet än nuvarande generations, så signal-brusförhållandet skulle förbättras med några storleksordningar."

"Om vi ​​kan etablera en metod för att extrahera mörk materia-signaler på GW-detektorn, metoden skulle kunna spela [en] viktig roll för att belysa WIMPs natur genom [ett] oberoende tillvägagångssätt, tillade han. Alltså, vår studie kan hjälpa till att avslöja universums struktur inte bara för närvarande, men också i det förflutna och framtiden."

Dessa inkluderar Kamioka gravitationsvågdetektor, Storskaligt Cryogenic Gravitational Wave Telescope (KAGRA) i Japan – som för närvarande uppgraderas – och Einstein Telescope (ET), en tredje generationens europeisk detektor som fortfarande är i designfasen. När dessa kommer online och går med i LIGO och Virgo-observatoriet i Italien, de kommer att möjliggöra en oöverträffad detekteringshastighet.

Detta är inte första gången som forskare har föreslagit andra tillämpningar för GW-forskning. Till exempel, ett internationellt team av forskare föreslog nyligen att GW skulle kunna användas för att studera dvärggalaxer i hopp om att se hur de domineras av mörk materia. Ett annat förslag är att använda GW för att mäta universums expansionshastighet – en metod som kan berätta mycket om mörk energis natur och inflytande.