發表在《自然-天文學》上的一項新研究表明，在水星軌道內和非常靠近太陽的航天器上部署一個原子鐘可能是揭開暗物質秘密的最新方法。暗物質佔宇宙質量的80%以上，但迄今為止，儘管經過幾十年的實驗努力，它在地球上一直沒有被發現。

這些搜索的一個關鍵組成部分是關於暗物質局部密度的假設，它決定了在任何給定時間內通過探測器的暗物質粒子的數量，從而決定了實驗靈敏度。在一些模型中，這個密度可能比通常假設的要高得多，而且暗物質在某些區域比其他區域更加集中。

一類重要的實驗搜索是使用原子或原子核的搜索，因為這些搜索對暗物質的信號取得了相當高的靈敏度。這是可能的，部分原因是當暗物質粒子具有非常小的質量時，它們會在自然界的常數中引起振盪。這些振盪例如電子的質量或電磁力的相互作用強度的振盪以可預測的方式改變原子和原子核的過渡能量。

藝術家對用於揭示暗物質的空間原子鐘的印象。資料來源：卡弗里IPMU

一個國際研究小組，加州大學歐文分校卡弗里宇宙物理與數學研究所（Kavli IPMU）項目研究員Joshua Eby、博士後Yu-Dai Tsai和特拉華大學教授Marianna S. Safronova，從這些振盪信號中看到了潛力。他們表示，在太陽系的一個特定區域，即水星和太陽的軌道之間，暗物質的密度比較大，這將意味著對振盪信號的異常敏感。

這些信號可以被原子鐘接收到，原子鐘通過仔細測量原子中不同狀態轉換時發出的光子的頻率來運行。在時鐘實驗附近的超輕暗物質可以修改這些頻率，因為暗物質的振盪會稍微增加和減少光子的能量。

“實驗周圍的暗物質越多，這些振盪就越大，所以在分析信號時，暗物質的局部密度非常重要，”埃比說。雖然太陽附近暗物質的精確密度並不為人所知，但研究人員認為，即使是一個相對低靈敏度的搜索也能提供重要的信息。

在太陽系中，暗物質的密度只受到有關行星軌道信息的製約。在太陽和水星（離太陽最近的行星）之間的區域幾乎沒有約束。因此，在航天器上進行的測量可以迅速發現這些模型中暗物質的世界領先的限制。

對他們的理論進行測試的技術已經存在。埃比說，美國宇航局的帕克太陽探測器自2018年以來一直在運行，它比歷史上任何人造飛船都更接近太陽，目前正在水星的軌道內運行，併計劃在一年內更接近太陽。

“長距離的太空任務，包括未來可能的火星任務，將需要特殊的計時，就像太空中的原子鐘所提供的那樣。”Eby說：”一個可能的未來任務，其屏蔽和軌跡與帕克太陽探測器非常相似，但攜帶一個原子鐘裝置，可能足以進行這種搜索。”

他們的研究細節於12月5日發表在《自然-天文學》上。