Het veld van de astronomie heeft een revolutie teweeggebracht, dankzij de allereerste detectie van zwaartekrachtsgolven (GW's). Sinds de eerste detectie in februari 2016 werd gedaan door wetenschappers van het Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO), meerdere gravitatiegebeurtenissen zijn gedetecteerd. Deze hebben inzicht gegeven in een fenomeen dat ruim een ​​eeuw geleden werd voorspeld door Albert Einstein.

Zoals het blijkt, de infrastructuur die wordt gebruikt om GW's te detecteren, zou ook een ander astronomisch mysterie kunnen ontrafelen:donkere materie. Volgens een nieuwe studie door een team van Japanse onderzoekers, laserinterferometers kunnen worden gebruikt om te zoeken naar zwak interagerende massieve deeltjes (WIMP's), een belangrijk kandidaatdeeltje in de jacht op donkere materie.

Om samen te vatten, WIMPS zijn een theoretisch elementair deeltje dat alleen interageert met normale materie (baryonisch) door de "zwakke" zwaartekracht. Net als bij andere elementaire deeltjes die deel uitmaken van het Standaardmodel (waarvan WIMPS dat niet is), ze zouden zijn gemaakt tijdens het vroege universum toen de kosmos extreem heet was.

WIMP's zijn in wezen het microscopisch kleine kandidaatdeeltje, wat hen aan het andere uiteinde van het spectrum plaatst van de andere belangrijke kandidaat - de macroscopische massieve compacte halo-objecten (MACHO's). Tot dusver, er zijn meerdere experimenten uitgevoerd om deze deeltjes te vinden, variërend van deeltjesbotsingen en indirecte detecties tot meer directe methoden, maar de resultaten waren grotendeels niet overtuigend.

Zoals Dr. Satoshi Tsuchida, een professor in de natuurkunde aan de Osaka City University en de hoofdauteur van de studie, vertelde Universum vandaag via e-mail:

"[De meeste] MACHO's worden verondersteld te bestaan ​​​​uit baryonische materie, maar baryonen zijn goed voor slechts 5 procent van het universum. Dus, we kunnen de structuur van het huidige heelal niet verklaren als alle donkere materie uit MACHO's bestaat. Anderzijds, WIMP's zijn niet-baryonische materie, en we hebben geen reden om [hen] uit te sluiten van donkere materie... WIMP's kunnen veelbelovende kandidaten voor donkere materie zijn."

Ter wille van hun studie, het onderzoeksteam (met leden van het Nambu Yoichiro Institute of Theoretical and Experimental Physics van de Universiteit van Osaka en de Ritsumeikan University) stelt een nieuwe zoekmethode voor die gebruik maakt van recente vorderingen in de detectie van zwaartekrachtgolven. Met dezelfde methode om rimpelingen in ruimte-tijd te detecteren, zij stellen dat ook WIMP's voor het eerst kunnen worden gedetecteerd.

Dit zou een benadering van "directe detectie" zijn met behulp van laserinterferometers, een methode die in het verleden is voorgesteld. Echter, deze methode is nog niet getest, gedeeltelijk omdat wetenschappers nog niet hebben berekend welke soorten signalen zullen worden veroorzaakt door directe interacties tussen WIMP's en nucleonen in de spiegel van een laserinterferometer.

Echter, het onderzoeksteam stelt dat de bewegingen van een slinger en spiegel in een GW-detector zullen worden opgewonden door een botsing. Het onderzoeksteam analyseerde deze bewegingen en schatte hoe detecteerbaar ze zouden zijn voor een systeem van zeer geavanceerde sensoren zoals die worden gebruikt door LIGO en andere GW-detectoren.

Van dit, het team was in staat om een ​​raamwerk te bieden dat van pas zou kunnen komen voor toekomstig onderzoek. "Dus, onze methode kan [leveren] wat nieuwe kennis voor donkere materie [onderzoek], " zei Dr. Satoshi. "De GW-detectoren van de volgende generatie hebben een betere gevoeligheid dan die van de huidige generatie, dus de signaal-ruisverhouding zou met enkele ordes van grootte worden verbeterd."

"Als we een methode kunnen vinden om de signalen van donkere materie op de GW-detector te extraheren, de methode zou [een] belangrijke rol kunnen spelen om de aard van WIMP's op te helderen door [een] onafhankelijke benadering, "voegde hij eraan toe. "Dus, onze studie zou kunnen helpen bij het onthullen van de structuur van het universum, niet alleen op dit moment, maar ook in het verleden en de toekomst."

Deze omvatten de Kamioka gravitatiegolfdetector, Grootschalige cryogene zwaartekrachtgolftelescoop (KAGRA) in Japan - die momenteel wordt geüpgraded - en de Einstein Telescope (ET), een derde generatie Europese detector die zich nog in de ontwerpfase bevindt. Wanneer deze online komen en lid worden van LIGO en het Virgo-observatorium in Italië, ze zullen een ongekende detectiesnelheid mogelijk maken.

Het is niet de eerste keer dat wetenschappers andere toepassingen voor GW-onderzoek voorstellen. Bijvoorbeeld, een internationaal team van wetenschappers stelde onlangs voor dat GW's kunnen worden gebruikt om dwergstelsels te bestuderen in de hoop te zien hoe ze worden gedomineerd door donkere materie. Een ander voorstel is het gebruik van GW's om de uitdijingssnelheid van het universum te meten - een methode die ons veel zou kunnen vertellen over de aard en invloed van donkere energie.