[论文解读] Probing Dark Matter Clumps, Strings and Domain Walls with Gravitational Wave Detectors

Joerg Jaeckel, S. Schenk+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 28, 2020

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 135被引用 13

一句话总结

本文提出利用像LISA这样的引力波探测器，通过其对激光干涉仪节点的引力影响来探测宏观暗物质结构——团块、宇宙弦和域壁，从而引起可测量的多普勒频移。研究表明，通过适度提升灵敏度，这些物体可在多个频段内被探测到。

ABSTRACT

Gravitational wave astronomy has recently emerged as a new way to study our Universe. In this work, we survey the potential of gravitational wave interferometers to detect macroscopic astrophysical objects comprising the dark matter. Starting from the well-known case of clumps we expand to cosmic strings and domain walls. We also consider the sensitivity to measure the dark matter power spectrum on small scales. Our analysis is based on the fact that these objects, when traversing the vicinity of the detector, will exert a gravitational pull on each node of the interferometer, in turn leading to a differential acceleration and corresponding Doppler signal, that can be measured. As a prototypical example of a gravitational wave interferometer, we consider signals induced at LISA. We further extrapolate our results to gravitational wave experiments sensitive in other frequency bands, including ground-based interferometers, such as LIGO, and pulsar timing arrays, e.g. ones based on the Square Kilometer Array. Assuming moderate sensitivity improvements beyond the current designs, clumps, strings and domain walls may be within reach of these experiments.

研究动机与目标

• 探索引力波激光干涉仪探测宏观暗物质结构（通过其引力效应）的潜力。
• 超越团块，将宇宙弦和域壁作为可探测的暗物质候选者纳入考量。
• 评估当前及未来探测器（LISA、LIGO和脉冲星计时阵列）对这些结构的灵敏度。
• 评估利用引力波仪器测量局部暗物质密度涨落的可行性。
• 提供一个与特定暗物质模型无关的唯象框架，仅聚焦于引力相互作用。

提出的方法

• 利用差分引力加速度效应：大质量暗物质结构扰动时空，导致干涉仪节点产生不等加速度。
• 应用时延干涉测量技术，对LISA中的多普勒信号进行建模，考虑信号时延与相位偏移。
• 基于质量、速度和碰撞参数，推导出局域团块的信号功率谱。
• 将形式化方法扩展至宇宙弦和域壁，将其状态方程作为自由参数处理。
• 将分析适配至不同频段，包括地基（LIGO）和低频（SKA基脉冲星计时阵列）探测器。
• 利用探测器灵敏度曲线（如LISA、LIGO和PTA）推算各类暗物质结构的可探测阈值。

实验结果

研究问题

• RQ1 引力波探测器如LISA能否通过其对干涉仪节点的引力扰动探测到暗物质团块？
• RQ2 给定其引力场分布，宇宙弦和域壁在引力波探测器中的可探测参数空间如何？
• RQ3 未来的引力波实验对小尺度暗物质功率谱涨落的灵敏度如何？
• RQ4 在现有设计基础上适度提升灵敏度，是否可使团块、弦和域壁变得可观测？
• RQ5 拓扑缺陷的状态方程在决定其可探测性方面起什么作用？

主要发现

• 若暗物质团块以速度和碰撞参数依赖的方式在约10^6 km范围内经过LISA探测器，LISA可探测到质量大于∼10^15 g的团块。
• 若其线性或面能量密度超过∼10^12 GeV²，宇宙弦和域壁可能被探测到，具体取决于其运动状态和几何构型。
• 在适度灵敏度提升的前提下，地基探测器如LIGO可探测到质量约为10^18–10^20 g的团块。
• 基于平方公里阵列（SKA）的脉冲星计时阵列可能探测到能量密度约为10^10–10^12 GeV²的域壁或弦。
• 对局部暗物质功率谱涨落的灵敏度有限，但原则上可通过长积分时间和噪声抑制改进实现测量。
• 该方法与模型无关，仅依赖于引力相互作用，因此可广泛适用于各类暗物质候选者。