在太空中部署一个原子钟 - 揭开暗物质秘密的新方法

发表在《自然-天文学》上的一项新研究表明，在水星轨道内和非常靠近太阳的航天器上部署一个原子钟可能是揭开暗物质秘密的最新方法。暗物质占宇宙质量的80%以上，但迄今为止，尽管经过几十年的实验努力，它在地球上一直没有被发现。这些搜索的一个关键组成部分是关于暗物质局部密度的假设，它决定了在任何给定时间内通过探测器的暗物质粒子的数量，从而决定了实验灵敏度。在一些模型中，这个密度可能比通常假设的要高得多，而且暗物质在某些区域比其他区域更加集中。

一类重要的实验搜索是使用原子或原子核的搜索，因为这些搜索对暗物质的信号取得了相当高的灵敏度。这是可能的，部分原因是当暗物质粒子具有非常小的质量时，它们会在自然界的常数中引起振荡。这些振荡例如电子的质量或电磁力的相互作用强度的振荡以可预测的方式改变原子和原子核的过渡能量。

艺术家对用于揭示暗物质的空间原子钟的印象 资料来源：卡弗里IPMU

一个国际研究小组，加州大学欧文分校卡弗里宇宙物理与数学研究所（Kavli IPMU）项目研究员Joshua Eby、博士后Yu-Dai Tsai和特拉华大学教授Marianna S. Safronova，从这些振荡信号中看到了潜力。他们表示，在太阳系的一个特定区域，即水星和太阳的轨道之间，暗物质的密度比较大，这将意味着对振荡信号的异常敏感。

这些信号可以被原子钟接收到，原子钟通过仔细测量原子中不同状态转换时发出的光子的频率来运行。在时钟实验附近的超轻暗物质可以修改这些频率，因为暗物质的振荡会稍微增加和减少光子的能量。

"实验周围的暗物质越多，这些振荡就越大，所以在分析信号时，暗物质的局部密度非常重要，"埃比说。虽然太阳附近暗物质的精确密度并不为人所知，但研究人员认为，即使是一个相对低灵敏度的搜索也能提供重要的信息。

在太阳系中，暗物质的密度只受到有关行星轨道信息的制约。在太阳和水星（离太阳最近的行星）之间的区域几乎没有约束。因此，在航天器上进行的测量可以迅速发现这些模型中暗物质的世界领先的限制。

对他们的理论进行测试的技术已经存在。埃比说，美国宇航局的帕克太阳探测器自2018年以来一直在运行，它比历史上任何人造飞船都更接近太阳，目前正在水星的轨道内运行，并计划在一年内更接近太阳。

"长距离的太空任务，包括未来可能的火星任务，将需要特殊的计时，就像太空中的原子钟所提供的那样。"Eby说："一个可能的未来任务，其屏蔽和轨迹与帕克太阳探测器非常相似，但携带一个原子钟装置，可能足以进行这种搜索。"

他们的研究细节于12月5日发表在《自然-天文学》上。