作為本世紀最大的科學突破之一，引力波探測背後的技術，現正被用於尋找難以捉摸的暗物質。在近日發表於《自然》雜誌上的一項研究中，由卡迪夫大學重力探索研究所的科學家們帶領的一支團隊，詳細介紹了他們如何使用漢諾威附近的德-英 GEO600 引力波探測器的數據，來尋找一種新的暗物質。
為 GEO600 探測器開發的新技術，亦被推廣到全球其它此類系統。
雖未開展直接檢測，但這種獨特的搜索，還是建立新方法的第一步。通過排除某些與暗物質有關的理論，研究人員得以改進未來的宇宙成分觀測。
據悉，暗物質被認為占宇宙所有物質的 85% 左右，但迄今從未被觀察到。
作為現代物理學中最大的未解之謎，一些科學家懷疑這是否與引力效應相關。
例如大量不可見的物質可被用於解釋為何星系會以這樣的形式旋轉，及其最初是如何形成的。
直到最近，人們普遍認為暗物質是由重基本粒子組成的。儘管付出了很多努力，但迄今還是一無所獲。現在，科學家們正轉向替代理論來解釋暗物質。
比如最近一個理論認為，暗物質實際上是一種被稱為標量場的東西，且其表現形式為在星系（包括我們所在的銀河系）周圍反彈的無形波。
（圖自：馬克斯普朗克引力物理研究所 / H. Lück / AEI）
得益於極其敏感的引力波探測器，已有多項傑出的發現得到證明。科學家們相信現有的引力波技術有真正的潛力來發現最終的暗物質、乃至找出它是由什麼構成的。
如上圖所示，該引力波天文台位於漢諾威以南 20 公里處，臂長 600 米。
GEO600 負責人、曾於 2009 – 2017 年擔任首席科學家、來自卡迪夫大學重力探索研究所的 Hartmut Grote 表示：
我們意識到該儀器可用於尋找這種新型暗物質，儘管它們最初是為探測引力波而設計的。
在 GEO600 等激光干涉儀中，激光被分成了兩束。通過在真空管中傳播數百米、並在鏡子之間反射，然後在探測器上相遇。
由此，科學家們可以非常準確地測量光束彼此之間的不同步程度，這本身就是光束遇到的任何干擾的代表。
研究配圖 – 1：改進 LPSD 技術調諧 / 預期暗物質線寬 / 典型幅度譜
在引力波探測中，來自遙遠天文事件的時空漣漪，會將激光傳播的距離壓縮和拉伸千分之一的質子直徑。
而 GEO600 探測器，就被 AEI 科學家們用於尋找阿爾伯特·愛因斯坦預測的微小時空漣漪。
研究配圖 – 2：基本標量場景中的標量場暗物質的函數約束
作為一款高命令度干涉儀，期間開發的大部分技術，也被用到了 LIGO 和 Virgo 引力波探測項目。
雖然其它探測器能夠做到對引力波更加敏感，但 GEO600 的特長，就是對標量場暗物質的影響更加敏感。
研究配圖 – 3：膨脹子/模量和弛豫光暈場景
同樣來自卡迪夫大學的首席研究員 Sander Vermeulen 表示：“標量場暗物質波將直接穿過地球和我們的儀器，從而引發鏡子之類的物體發生如此輕微的振動”。
鏡子振動會以暗物質特有的方式，干擾到 GEO600 或 LIGO 探測器等儀器中的光束。這是我們應該能夠探測到的東西，具體取決於暗物質的確切特性。
擴展數據 – 圖 1：模擬暗物質信號和單色正弦波的光譜幅度和 SNR
儘管該團隊未能在這項新研究中開展任何類型的檢測，但他們表示，他們在將這項技術引入暗物質搜索方面邁出了重要的第一步，並且縮小了某些參數、以造福於未來研究。
Hartmut Grote 指出：
當一款儀器最初是為完全不同的目的而建造時，其對尋找暗物質的敏感度，着實讓我們感到驚奇不已。
Sander Vermeulen 補充道：
我們已明確排除一些認為暗物質具有某些特性的理論，從而明晰了未來的探索方向，我們相信這些新技術具有在未來某個時候發現暗物質的真正潛力。
最後，馬克斯普朗克引力物理研究所（阿爾伯特愛因斯坦研究所）所長、兼漢諾威萊布尼茨大學引力物理研究所所長的 Karsten Danzmann 總結道：
這項研究的最棒之處，在於再次證明了 GEO600 是一種極其實用、靈敏、且具有開創性的研究儀器。