Nowe ograniczenia dotyczące obecności lekkiej ciemnej materii w Drodze Mlecznej

Oczekuje się, że ciemna materia, złożona z cząstek, które nie odbijają, nie emitują ani nie pochłaniają światła, będzie stanowić większość materii we wszechświecie. Jednak brak interakcji ze światłem uniemożliwia jego bezpośrednie wykrycie konwencjonalnymi metodami eksperymentalnymi.

Fizycy od dziesięcioleci próbują opracować alternatywne metody wykrywania i badania ciemnej materii, ale wiele pytań dotyczących jej natury i obecności w naszej galaktyce pozostaje bez odpowiedzi. Eksperymenty Pulsar Timing Array (PTA) mają na celu zweryfikowanie istnienia tak zwanych ultralekkich cząstek ciemnej materii poprzez badanie milisekundowego synchronizacji szeregu galaktycznych pulsarów radiowych (tj. ciał niebieskich emitujących regularne milisekundowe impulsy fal radiowych).

European Pulsar Timing Array, międzynarodowy zespół naukowców z różnych instytutów, który wykorzystuje 6 radioteleskopów w całej Europie do obserwacji określonych pulsarów, przeanalizował niedawno drugą falę zebranych danych. Ich papieropublikowane w Listy z przeglądu fizycznegonakłada bardziej rygorystyczne ograniczenia na obecność lekkiej ciemnej materii w Drodze Mlecznej.

„Ten artykuł był w zasadzie wynikiem mojego pierwszego projektu doktoranckiego” – powiedział Phys.org Clemente Samara, współautor artykułu. „Pomysł zrodził się, gdy zapytałem mojego przełożonego, czy mógłbym przeprowadzić badania skupione na nauce o falach grawitacyjnych, ale z perspektywy fizyki cząstek elementarnych. Głównym celem projektu było ograniczenie istnienia tak zwanej lekkiej ciemnej materii w naszej galaktyce.”

Lekka ciemna materia jest hipotetycznym kandydatem na ciemną materię, składającą się z niezwykle lekkich cząstek, które mogą rozwiązać odwieczne tajemnice astrofizyki. Najnowsze badania Samary i jego współpracowników miały na celu zweryfikowanie możliwości obecności tego typu ciemnej materii w naszej galaktyce, poprzez dane zebrane przez European Pulsar Timing Array.

„Inspirowały nas wcześniejsze wysiłki w tej dziedzinie, zwłaszcza Praca Burayko i jej współpracowników„Dzięki dłuższemu czasowi trwania i lepszej rozdzielczości naszego zbioru danych byliśmy w stanie nałożyć bardziej rygorystyczne ograniczenia na obecność lekkiej ciemnej materii w Drodze Mlecznej” – powiedziała Samara.

W najnowszym artykule European Pulsar Timing Array przyjęto założenia odmienne od tych przyjętych w innych badaniach przeprowadzonych w przeszłości. Zamiast badać interakcje między ciemną materią a zwykłą materią, zakłada się, że interakcje te zachodzą jedynie poprzez efekty grawitacyjne.

„Założyliśmy, że ciemna materia oddziałuje ze zwykłą materią jedynie poprzez oddziaływanie grawitacyjne” – wyjaśniła Samara. „To dość mocne twierdzenie: tak naprawdę jedyną pewną rzeczą, jaką wiemy o ciemnej materii, jest to, że oddziałuje ona z grawitacją. Krótko mówiąc, ciemna materia wytwarza potencjalne studnie, przez które przemieszczają się pulsujące promienie radiowe. Jednak głębokość tych studni jest okresowa , a co za tym idzie czas podróży Wiązka radiowa wysyłana z pulsarów na Ziemię również zmienia się z wyraźną częstotliwością.

Szukając dokładnie tego efektu w drugiej fali danych z European Pulsar Timing Array, Samara i jego współpracownicy byli w stanie nałożyć nowe ograniczenia na obecność bardzo jasnej ciemnej materii wokół pulsarów. European Pulsar Timing Array zbiera te dane od prawie 25 lat, korzystając z 6 zaawansowanych radioteleskopów rozmieszczonych w różnych miejscach Europy.

„Na podstawie naszych analiz możemy wykluczyć, że ultralekkie cząstki o określonym zakresie mas mogą stanowić całą ilość ciemnej materii” – powiedziała Samara. „Gdyby więc tam były, nadal potrzebowalibyśmy czegoś innego, aby wyjaśnić to, co widzimy. Wynik ten jest dość solidny, ponieważ skupiliśmy się na oddziaływaniu grawitacyjnym ciemnej materii, a to jedyna rzecz, której jesteśmy pewni”.

Niedawne prace European Pulsar Timing Array pokazują, że lekkie cząstki o masach 10–24,0 eV≲m≲10–23,3 eV nie mogą stanowić 100% zmierzonej lokalnej gęstości ciemnej materii i mogą mieć lokalną gęstość ρ≲0,3 na większości . Jeffa/cm³. Te nowe ograniczenia mogą ukierunkować dalsze badania w tej dziedzinie, co może przynieść korzyści przyszłym poszukiwaniom nieuchwytnego kandydata na ciemną materię.

„Teraz planuję zbadać, czy pulsary mają sygnatury, które mogą powiedzieć nam więcej o ciemnej materii” – dodała Samara. „Co więcej, ogólnie interesuję się nauką o PTA, więc chciałbym także pracować nad astrofizycznym modelowaniem układów podwójnych supermasywnych czarnych dziur, co uważa się za przekonujące wyjaśnienie tła przypadkowych fal grawitacyjnych, które niedawno zaobserwowaliśmy”.