Фото: Дэвид Чемпион/MPIfR.
Предполагается, что темная материя, состоящая из частиц, которые не отражают, не излучают и не поглощают свет, составляет большую часть материи во Вселенной. Однако отсутствие взаимодействия со светом не позволяет его прямому обнаружению с помощью обычных экспериментальных методов.
Физики десятилетиями пытались разработать альтернативные методы обнаружения и изучения темной материи, однако многие вопросы о ее природе и присутствии в нашей галактике остаются без ответа. Эксперименты Pulsar Timing Array (PTA) пытались проверить наличие так называемых сверхлегких частиц темной материи, исследуя время ансамбля галактических миллисекундных радиопульсаров (т.е. небесных объектов, которые излучают регулярные радиоволновые импульсы миллисекундной длительности).
European Pulsar Timing Array, многонациональная группа исследователей, базирующаяся в различных институтах и использующая 6 радиотелескопов по всей Европе для наблюдения за конкретными пульсарами, недавно проанализировала вторую волну собранных ими данных. Их статья, опубликованная в журнале Physical Review Letters, устанавливает более строгие ограничения на присутствие сверхлегкой темной материи в Млечном Пути.
«Эта статья, по сути, стала результатом моего первого докторского проекта», — рассказал Phys.org Клементе Смарра, соавтор статьи. «Идея возникла, когда я спросил своего руководителя, могу ли я провести исследование, посвященное науке о гравитационных волнах, но с точки зрения физики элементарных частиц. Основная цель проекта заключалась в ограничении присутствия так называемой сверхлегкой темной материи в нашей галактике. .»
Сверхлегкая темная материя — это гипотетический кандидат на роль темной материи, состоящий из очень легких частиц, которые потенциально могут раскрыть давние загадки в области астрофизики. Недавнее исследование Смарры и его коллег было направлено на изучение возможного присутствия этого типа темной материи в нашей галактике с помощью данных, собранных Европейской системой измерения времени пульсаров.
«Нас вдохновили предыдущие усилия в этой области, особенно работа Порайко и ее сотрудников», — сказал Смарра. «Благодаря большей продолжительности и повышенной точности нашего набора данных мы смогли наложить более строгие ограничения на присутствие сверхлегкой темной материи в Млечном Пути»,
В недавней статье European Pulsar Timing Array сделаны предположения, отличные от предположений, сделанных в других исследованиях, проведенных в прошлом. Вместо исследования взаимодействий между темной материей и обычной материей предполагается, что эти взаимодействия происходят только посредством гравитационных эффектов.
«Мы предположили, что темная материя взаимодействует с обычной материей только посредством гравитационного взаимодействия», — объяснил Смарра. «Это довольно серьезное утверждение: на самом деле, единственное, что мы знаем о темной материи, — это то, что она взаимодействует гравитационно. Короче говоря, темная материя создает потенциальные ямы, в которых движутся радиолучи пульсаров. Но глубина этих ям периодичны во времени, поэтому время прохождения радиолучей от пульсаров до Земли также меняется с характерной периодичностью».
Исследуя этот конкретный эффект во второй волне данных, опубликованных Европейской матрицей синхронизации пульсаров, Смарра и его коллеги смогли установить новые ограничения на присутствие сверхлегкой темной материи вокруг пульсаров. Европейская система синхронизации пульсаров собирает эти данные уже почти 25 лет, используя 6 современных радиотелескопов, расположенных в разных местах Европы.
«На основании нашего анализа мы можем исключить, что сверхлегкие частицы в определенном диапазоне масс могут составлять полное количество темной материи», — сказал Смарра. «Поэтому, если бы они были там, нам все равно нужно было бы что-то еще, чтобы объяснить то, что мы видим. И этот результат довольно надежный, поскольку мы сосредоточились на гравитационном взаимодействии темной материи, что является единственным, что мы знаем наверняка».
Недавняя работа European Pulsar Timing Array показывает, что сверхлегкие частицы с массами 10–24,0 эВ≲m≲10–23,3 эВ не могут составлять 100% измеренной локальной плотности темной материи и могут иметь максимум локальную плотность ρ≲0,3. ГэВ/см3. Эти новые ограничения могут направить дальнейшие исследования в этой области, потенциально информируя будущие поиски этого неуловимого кандидата в темную материю.
«В настоящее время я планирую выяснить, есть ли у пульсаров признаки, которые могут рассказать нам что-то больше о темной материи», — добавил Смарра. «Более того, я вообще интересуюсь наукой PTA; поэтому я также хотел бы поработать над астрофизическим моделированием двойных систем сверхмассивных черных дыр, которые, как полагают, являются убедительным объяснением стохастического гравитационно-волнового фона, который мы недавно наблюдали».
