Új korlátozások a könnyű sötét anyag jelenlétére a Tejútrendszerben

A fényt nem visszaverő, kibocsátó vagy elnyelő részecskékből álló sötét anyag alkotja az univerzum anyagának nagy részét. A fénnyel való kölcsönhatás hiánya azonban megakadályozza a hagyományos kísérleti módszerekkel történő közvetlen kimutatását.

A fizikusok évtizedek óta próbálnak alternatív módszereket kidolgozni a sötét anyag kimutatására és tanulmányozására, de sok kérdésre a természetével és galaxisunkban való jelenlétével kapcsolatban megválaszolatlan maradt. A Pulsar Timing Array (PTA) kísérletei az úgynevezett ultrakönnyű sötét anyag részecskék létezését próbálják igazolni egy sor galaktikus rádiópulzár (vagyis szabályos ezredmásodperces rádióhullámimpulzusokat kibocsátó égitestek) ezredmásodperces időzítésének vizsgálatával.

A European Pulsar Timing Array, egy többnemzetiségű kutatócsoport különböző intézetekben, amely 6 rádióteleszkópot használ Európa-szerte meghatározott pulzárok megfigyelésére, a közelmúltban elemezte az általuk gyűjtött adatok második hullámát. A papírjukatkiadva Fizikai áttekintő levelekszigorúbb korlátokat állít a Tejútrendszerben található könnyű sötét anyag jelenlétére.

„Ez a cikk alapvetően az első doktori projektem eredménye volt” – mondta Clemente Samara, a tanulmány társszerzője a Phys.org-nak. „Az ötlet akkor merült fel, amikor megkérdeztem a témavezetőmet, hogy végezhetek-e olyan kutatást, amely a gravitációs hullámok tudományára összpontosít, de részecskefizikai szempontból. A projekt fő célja az volt, hogy korlátozza az úgynevezett könnyű sötét anyag létezését galaxisunkban.”

A világos sötét anyag a sötét anyag feltételezett jelöltje, rendkívül könnyű részecskékből áll, amelyek megfejthetik az asztrofizika régóta fennálló rejtélyeit. A Samara és munkatársai által végzett legújabb tanulmány célja az volt, hogy a European Pulsar Timing Array által gyűjtött adatokon keresztül igazolja az ilyen típusú sötét anyag galaxisunkban való jelenlétét.

„Inspiráltak bennünket az ezen a területen végzett korábbi erőfeszítések, különösen az Burayko és munkatársai munkája„Az adatkészletünk hosszabb időtartamának és jobb felbontásának köszönhetően szigorúbb korlátozásokat tudtunk állítani a könnyű sötét anyag jelenlétére a Tejútrendszerben” – mondta Samara.

A European Pulsar Timing Array legfrissebb tanulmánya más feltételezéseket tartalmaz, mint a múltban végzett egyéb tanulmányok. Ahelyett, hogy a sötét anyag és a közönséges anyag közötti kölcsönhatásokat vizsgálná, azt feltételezi, hogy ezek a kölcsönhatások csak gravitációs hatásokon keresztül mennek végbe.

„Feltételeztük, hogy a sötét anyag a közönséges anyaggal csak gravitációs kölcsönhatáson keresztül lép kölcsönhatásba” – magyarázta Samara. „Ez egy meglehetősen erős állítás: valójában az egyetlen biztos dolog, amit a sötét anyagról tudunk, az az, hogy kölcsönhatásba lép a gravitációval. Röviden, a sötét anyag potenciális kutakat hoz létre, amelyekben pulzáló rádiósugarak haladnak. De ezeknek a kutaknak a mélysége periodikus , és így az utazási idő A rádiósugár a pulzárokról a Földre is határozott periodikussággal változik.

Azáltal, hogy pontosan ezt a hatást keresték a European Pulsar Timing Array második hullámában, Samara és munkatársai új korlátokat tudtak állítani a nagyon világos sötét anyag jelenlétére a pulzárok körül. A European Pulsar Timing Array közel 25 éve gyűjti ezeket az adatokat 6 fejlett rádióteleszkóp segítségével, amelyek Európa különböző pontjain találhatók.

„Elemzéseink alapján kizárhatjuk, hogy egy bizonyos tömegtartományban ultrakönnyű részecskék alkothatják a sötét anyag teljes mennyiségét” – mondta Samara. „Tehát, ha ott lennének, akkor is szükségünk lenne valami másra, ami megmagyarázná, amit látunk. Ez az eredmény meglehetősen robusztus, mivel a sötét anyag gravitációs kölcsönhatására összpontosítottunk, ami az egyetlen dolog, amit biztosan tudunk.”

A European Pulsar Timing Array legújabb munkája azt mutatja, hogy a 10–24,0 eV≲m≲10–23,3 eV tömegű könnyű részecskék nem teszik ki a mért lokális sötétanyag-sűrűség 100%-át, és a legtöbb helyen ρ≲0,3 lokális sűrűségűek lehetnek. . Jeff/cm³. Ezek az új megszorítások irányíthatják a további kutatásokat ezen a területen, ami hasznos lehet a megfoghatatlan sötét anyag jelölt jövőbeli kutatása során.

„Most azt tervezem, hogy megvizsgálom, vannak-e olyan jelek a pulzároknak, amelyek többet elárulnak a sötét anyagról” – tette hozzá Samara. „Továbbá általában érdekel a PTA tudománya, ezért szeretnék a szupermasszív fekete lyukak bináris rendszereinek asztrofizikai modellezésén is dolgozni, amiről úgy gondolják, hogy meggyőző magyarázatot ad a nemrégiben megfigyelt véletlenszerű gravitációs hullámháttérre.”