Nikdy předtím nezjištěné gravitační vlny naznačují temnou hmotu

Nový typ detektoru gravitačních vln běžící v západní Austrálii zaznamenal dvě vzácné události, které by mohly být signály temné hmoty nebo prvotních černých děr. Tyto vysokofrekvenční gravitační vlny jsou mimo dosah většiny detektorů a nikdy předtím nebyly zaznamenány.

Gravitační vlny jsou vlnky v samotné struktuře časoprostoru, které Einstein poprvé předpověděl před více než stoletím, ale přímo detekovány nebyly až do roku 2015. V následujících letech byly provedeny desítky detekcí, většinou zařízeními jako LIGO, která dokážou detekovat vlny s frekvencemi. mezi 7 kHz a 30 Hz. To je v rozsahu pro vlny produkované kataklyzmatickými událostmi, jako jsou srážky černých děr a neutronových hvězd.

Očekává se však, že gravitační vlny budou padat mimo tento rozsah. Dva experimenty v současné době hledají velmi vysokofrekvenční vlny, které by mohly představovat jiné kosmické události nebo objekty. A nyní byla vrácena první várka dat pro jeden z těchto experimentů, včetně dvou zvláště zajímavých detekcí.

Projekt provozuje ARC Center of Excellence for Dark Matter Particle Physics (CDM) a University of Western Australia a je založen na unikátním typu detektoru gravitačních vln, známém jako rezonátor objemových akustických vln (BAW).

Experiment využívá disk z křemenného krystalu, který vibruje na vysokých frekvencích, když jím procházejí akustické vlny. Tím vzniká elektrický náboj, který lze zachytit dvěma vodivými deskami přitlačenými ke křemennému kotouči. Tento signál pak prochází supravodivým kvantovým interferenčním zařízením (SQUID), které signál zesílí tak, aby jej mohl detektor zachytit.

Celá věc je pak uzavřena uvnitř několika radiačních štítů, aby se zabránilo rušení z vnějšího elektromagnetického záření, a podchlazena téměř na absolutní nulu, aby se snížil šum v signálu. To umožňuje zařízení detekovat frekvence v rozsahu MHz.

Centrum excelence ARC pro fyziku částic temné hmoty

Experiment BAW probíhal 153 dní ve dvou samostatných běhech v roce 2019 a v té době vědci pozorovali dvě vzácné události, první 12. května a druhá 27. listopadu. Obě byly na vysokých frekvencích kolem 5 MHz.

Co přesně by signály mohly být, zůstává neznámé, ale existuje několik zajímavých možností. Předpokládá se, že primordiální černé díry byly vytvořeny během milisekund po Velkém třesku a mohly se stát zárodky supermasivních černých děr v centrech galaxií. Vysokofrekvenční gravitační vlny mohly být vyzařovány jednou z těchto prapůvodních černých děr, u nichž se dosud nezjistilo, že existují.

Další možností je, že signál pocházel z oblaku částic temné hmoty procházející přístrojem. Předpokládá se, že tato podivná látka prostupuje vesmír a interaguje s běžnou hmotou pouze prostřednictvím jejího silného gravitačního vlivu.

Potvrzení obou scénářů by znamenalo pro fyziku obrovský průlom, ale zatím se vyplatí zachovat chladnou hlavu. Tým říká, že signál by mohl být také mnohem méně vzrušující, jako je interference částic náboje, mechanické napětí, náhodný atomový proces nebo meteorická událost.

„Je vzrušující, že tato událost ukázala, že nový detektor je citlivý a dává nám výsledky, ale nyní musíme přesně určit, co tyto výsledky znamenají,“ říká William Campbell, autor studie.

Spolu s tím, že to zjistí, tým říká, že budoucí verze technologie budou hledat gravitační vlny na ještě vyšších frekvencích a porovnávat výsledky z více detektorů, aby eliminovaly rušení.

„Příští generace experimentu bude zahrnovat vytvoření klonu detektoru a mionového detektoru citlivého na kosmické částice,“ říká Campbell. „Pokud dva detektory zjistí přítomnost gravitačních vln, bude to opravdu vzrušující.“

Toto není první detekce mimo běžný rozsah. Jiné týmy zachytily signály s extrémně nízkými frekvencemi, které by mohly být způsobeny jiným typem temné hmoty nebo „hučením“ vesmíru na pozadí.

Výzkum byl publikován v časopise Dopisy fyzické revize.

Zdroj: ARC Center of Excellence for Dark Matter Particle Physics