Jakten på gravitationsvågor – pulsationer i rum och tid orsakade av stora kosmiska katastrofer – kan hjälpa till att lösa ett av universums andra mysterier – bosonmoln och om de är en främsta utmanare för mörk materia.
För att upptäcka potentiella bosonmoln använder forskare kraftfulla instrument som Laser Interferometric Gravitational-Wave Advanced Observatory (LIGO), Virgo Advanced och KAGRA, som registrerar gravitationsvågor upp till miljarder ljusår bort.
Bosonmoln, sammansatta av ultralätta subatomära partiklar som är praktiskt taget oupptäckbara, har föreslagits som en möjlig källa till mörk materia, som utgör cirka 85 % av all materia i universum.
Nu erbjuder en stor ny internationell studie av LIGO-Virgo-KAGRA-samarbetet ledd av forskare från Australian National University (ANU) en av de bästa möjligheterna att hitta dessa subatomära partiklar genom att leta efter gravitationsvågor orsakade av moln av bosoner som kretsar kring svarta hål .
Dr Lilly Sun, från ANU:s Center for Gravitational Astrophysics, sa att studien var världens första all-sky-undersökning utformad för att leta efter förutspådda gravitationsvågor som härrör från möjliga bosonmoln nära snabbt roterande svarta hål.
"Det är nästan omöjligt att upptäcka dessa ultralätta bosonpartiklar på jorden. Dessa partiklar, om de finns, har extremt låg massa och interagerar sällan med annan materia, vilket är en av nyckelegenskaperna som mörk materia verkar ha." Mörk materia är material som inte kan ses direkt, men vi vet att mörk materia finns eftersom det påverkar föremål som vi kan observera. Men genom att undersöka gravitationsvågorna som emitteras av dessa moln kan vi kanske spåra dessa svårfångade bosoniska partiklar och kanske knäcka koden för mörk materia. Vår sökning kan också tillåta oss att utesluta vissa ultralätta bosonpartiklar som våra teorier antyder kan existera men faktiskt inte gör det, säger Dr Sun.
Dr Sun, som också är juniorforskare vid ARC Center of Excellence for Gravitational Wave Detection (OzGrav), säger att gravitationsvågsdetektorer tillåter forskare att studera energin hos snabbt roterande svarta hål som emitteras av sådana moln, om de finns.
"Vi tror att dessa svarta hål fångar ett stort antal bosoniska partiklar i deras kraftfulla gravitationsfält och skapar ett moln som korrelerar med dem. Den här dansen har pågått i miljontals år och fortsätter att generera gravitationsvågor som färdas genom rymden”, sa hon.
Även om forskare ännu inte har upptäckt gravitationsvågor från bosonmoln, sa Dr. Sun att vetenskapen om gravitationsvågor "har öppnat dörrar som tidigare var stängda för forskare." "Upptäckten av gravitationsvågor ger inte bara information om mystiska kompakta föremål i universum, som svarta hål och neutronstjärnor, utan låter oss också söka efter nya partiklar och mörk materia. Framtida gravitationsvågsdetektorer kommer säkerligen att öppna upp för fler möjligheter. Vi kommer att kunna penetrera djupare in i universum och upptäcka mer information om dessa partiklar. Till exempel kommer detektering av bosonmoln med gravitationsvågsdetektorer att ge viktig information om mörk materia och hjälpa till att främja andra sökningar av mörk materia. Det kommer också att förbättra vår förståelse av partikelfysik mer allmänt, sa hon.
En annan viktig upptäckt var att studien kastade ljus över sannolikheten för förekomsten av bosonmoln i vår galax, givet deras ålder. Dr Sun sa att styrkan hos alla gravitationsvågor beror på molnets ålder, med äldre moln som skickar svagare signaler. "Bosonmolnet drar ihop sig när det förlorar energi och skickar ut gravitationsvågor", säger Dr. Sun.
"Vi lärde oss att en viss typ av bosonmoln som är yngre än 1000 10 år är osannolikt att existera någonstans i vår galax, och moln som är upp till 3260 miljoner år gamla är osannolikt att existera inom cirka XNUMX XNUMX ljusår från jorden."
Läs också: