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 Hartmut Grote 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 Sander Vermeulen 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。 扩展数据 - 图 1：模拟暗物质信号和单色正弦波的光谱幅度和 SNR 尽管该团队未能在这项新研究中开展任何类型的检测，但他们表示，他们在将这项技术引入暗物质搜索方面迈出了重要的第一步，并且缩小了某些参数、以造福于未来研究。 Hartmut Grote 指出： 当一款仪器最初是为完全不同的目的而建造时，其对寻找暗物质的敏感度，着实让我们感到惊奇不已。 Sander Vermeulen 补充道： 我们已明确排除一些认为暗物质具有某些特性的理论，从而明晰了未来的探索方向，我们相信这些新技术具有在未来某个时候发现暗物质的真正潜力。 最后，马克斯普朗克引力物理研究所（阿尔伯特爱因斯坦研究所）所长、兼汉诺威莱布尼茨大学引力物理研究所所长的 Karsten Danzmann 总结道： 这项研究的最棒之处，在于再次证明了 GEO600 是一种极其实用、灵敏、且具有开创性的研究仪器。
