Een wereldwijd team van wetenschappers, waaronder twee natuurkundigen van de Universiteit van Mississippi, heeft ontdekt dat dezelfde instrumenten die zijn gebruikt bij de historische ontdekking van zwaartekrachtsgolven veroorzaakt door botsende zwarte gaten, kunnen helpen de geheimen van donkere materie te ontrafelen, een mysterieus en nog niet waargenomen onderdeel van het universum.

De onderzoeksresultaten van Emanuele Berti, UM universitair hoofddocent natuurkunde en sterrenkunde, Shrobana Ghosh, een afgestudeerde student, en hun collega's verschijnt in het septembernummer van Fysieke beoordelingsbrieven , een van de meest prestigieuze peer-reviewed academische tijdschriften in het veld. "Stochastische en oplosbare zwaartekrachtsgolven van ultralichte bosonen" is co-auteur van collega-wetenschappers Richard Brito, Enrico Barausse, Vitor Cardoso, Irina Dvorkin, Antoine Klein en Paolo Pani.

De aard van donkere materie blijft onbekend, maar wetenschappers schatten dat het in het hele universum vijf keer zo overvloedig is als gewone materie.

"De aard van donkere materie is een van de grootste mysteries in de natuurkunde, Berti zei. "Het is opmerkelijk dat we nu deeltjesfysica kunnen doen - het "zeer kleine" onderzoeken - door te kijken naar de emissie van zwaartekrachtgolven van zwarte gaten, de grootste en eenvoudigste objecten in het universum."

PRL is een van de vele publicaties van de American Physical Society en het American Institute of Physics. Het bevat artikelen die worden beschouwd als belangrijke vooruitgang in onderzoek, en daarom, snel gepubliceerd in het kort, letterformaat voor een breed publiek van natuurkundigen.

Dit document geeft details over berekeningen door de wetenschappers, die in Duitsland werken, Frankrijk, Italië, Portugal en de VS, laten zien dat zwaartekrachtsgolfinterferometers kunnen worden gebruikt om indirect de aanwezigheid van donkere materie te detecteren.

Een begeleidend document van het team, "Zwaartekrachtgolven zoeken naar ultralichte bosonen met LIGO en LISA, " is ook geaccepteerd en zal verschijnen in Fysieke beoordeling D .

Berekeningen tonen aan dat bepaalde soorten donkere materie gigantische wolken kunnen vormen rond astrofysische zwarte gaten. Als ultralichte scalaire deeltjes in de natuur bestaan, snel draaiende zwarte gaten zouden de groei van dergelijke scalaire "condensaten" veroorzaken ten koste van hun rotatie-energie, het produceren van een wolk die rond het zwarte gat draait, nu langzamer draaiend, en zendt zwaartekrachtgolven uit, ongeveer als een gigantische vuurtoren in de lucht.

"Een mogelijkheid is dat donkere materie bestaat uit scalaire velden die lijken op het Higgs-deeltje, maar veel lichter dan neutrino's, Pani zei. "Dit type donkere materie is moeilijk te bestuderen in deeltjesversnellers, zoals de Large Hadron Collider bij CERN, maar het kan toegankelijk zijn voor zwaartekrachtgolfdetectoren."

Het team onder leiding van Brito bestudeerde zwaartekrachtsgolven die worden uitgezonden door het "zwarte gat plus cloud" -systeem. Afhankelijk van de massa van de hypothetische deeltjes, het signaal is sterk genoeg om te worden gedetecteerd door de Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory, met instrumenten in Louisiana en Washington, en zijn Europese tegenhanger Maagd, evenals door de toekomstige ruimtemissie Laser Interferometer Space Antenna.

"Verrassend genoeg, zwaartekrachtgolven van bronnen die te zwak zijn om individueel detecteerbaar te zijn, kunnen een sterke stochastische achtergrond produceren, Brito zei. "Dit werk suggereert dat een zorgvuldige analyse van de achtergrond in LIGO-gegevens ultralichte donkere materie kan uitsluiten - of detecteren - door zwaartekrachtsgolfinterferometers.

"Dit is een nieuwe opwindende grens in de astrodeeltjesfysica die licht zou kunnen werpen op ons begrip van het microscopische universum."

LIGO is een paar maanden offline geweest voor upgrades. Het team is van plan om nieuwe, binnenkort spannende resultaten van de tweede waarnemingsrun.

"Ons werk laat zien dat een zorgvuldige analyse van stochastische zwaartekrachtsgolven in de gegevens die ze al hebben verzameld, kan worden gebruikt om interessante beperkingen op te leggen aan de aard van donkere materie, ' zei Berti.

Dit innovatieve werk "bevestigt de hoge kwaliteit van het werk in astrodeeltjesfysica en zwaartekrachtgolfastronomie gedaan door leden van de zwaartekrachtfysica-groep aan de UM, algemeen erkend als een van de leiders in het veld, " zei Luca Bombelli, voorzitter en hoogleraar natuurkunde en sterrenkunde aan Ole Miss.