研究人员说太空原子钟可以帮助揭开暗物质的本质

发表在《自然天文学》上的一项新研究表明，在水星轨道内且非常靠近太阳的航天器上研究搭载的原子钟可能是揭示暗物质本质的诀窍。

暗物质占宇宙质量的80%以上，但尽管经过数十年的实验努力，它至今仍未在地球上被发现。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通过探测器的暗物质粒子的数量，从而决定了实验的灵敏度。

在某些模型中，这种密度可能比通常假设的要高得多，并且与其他区域相比，暗物质可能在某些区域变得更加集中。

一类重要的实验研究是使用原子或原子核的研究，因为它们对暗物质信号具有令人难以置信的敏感性。这在一定程度上是可能的，因为当暗物质粒子的质量非常小时，它们会引起自然常数的振荡。这些振荡，例如电子质量或电磁力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跃迁能量。

一个国际研究团队，Kavli宇宙物理和数学研究所(KavliIPMU)项目研究员JoshuaEby，加州大学欧文分校，博士后研究员Yu-DaiTsai和特拉华大学教授MariannaS.Safronova，看到了潜力在这些振荡信号中。他们声称，在太阳系的一个特定区域，即水星轨道和太阳之间，暗物质的密度可能非常大，这意味着对振荡信号异常敏感。

这些信号可以被原子钟接收，原子钟通过仔细测量原子中不同状态跃迁时发射的光子频率来运行。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略微增加和减少光子能量。

“实验周围的暗物质越多，这些振荡就越大，因此在分析信号时暗物质的局部密度非常重要，”Eby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，即使是相对低灵敏度的搜索也能提供重要信息。

暗物质的密度在太阳系中仅受行星轨道信息的限制。在太阳和离太阳最近的行星水星之间的区域，几乎没有任何限制。因此，在航天器上进行测量可以快速发现这些模型中暗物质的世界领先限制。

测试他们的理论的技术已经存在。Eby说，NASA帕克太阳探测器自2018年以来一直在屏蔽的帮助下运行，比历史上任何人造飞船都更接近太阳，目前正在水星轨道内运行，计划甚至移动一年内离太阳更近。

除了寻找暗物质之外，太空中的原子钟已经出于许多原因而受到充分推动。

“长距离太空任务，包括未来可能的火星任务，将需要太空原子钟提供的特殊计时。未来可能的任务，其屏蔽和轨迹与帕克太阳探测器非常相似，但携带原子钟设备，可能足以进行搜索，”埃比说。