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 наличие 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 работы 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/см 3 . 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».
