Новые ограничения на наличие легкой темной материи в Млечном Пути

Ожидается, что темная материя, состоящая из частиц, которые не отражают, не излучают и не поглощают свет, будет составлять 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, но многие вопросы о ее природе и присутствии в нашей галактике остаются без ответа. Эксперименты Pulsar Timing Array (PTA) пытаются проверить существование так называемых сверхлегких частиц темной материи, исследуя миллисекундную синхронизацию массива галактических радиопульсаров (то есть небесных тел, которые излучают регулярные миллисекундные радиоволновые импульсы).

European Pulsar Timing Array, многонациональная группа исследователей из различных институтов, которая использует 6 радиотелескопов по всей Европе для наблюдения за конкретными пульсарами, недавно проанализировала вторую волну собранных ими данных. Их статьяопубликовано в Письма о физическом осмотренакладывает более строгие ограничения на наличие легкой темной материи в Млечном Пути.

«Эта статья, по сути, стала результатом моего первого докторского проекта», — рассказал Phys.org Клементе Самара, 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 существования так называемой легкой темной материи в нашей галактике».

Легкая темная материя — гипотетический кандидат на роль темной материи, состоящая из чрезвычайно легких частиц, которые могли бы решить давние загадки астрофизики. Последнее исследование, проведенное Самарой и его коллегами, было направлено на проверку возможности 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 Бурайко и ее сотрудников«Благодаря большей продолжительности и улучшенному разрешению нашего набора данных мы смогли установить более строгие ограничения на присутствие легкой темной материи в Млечном Пути», — сказала Самара.

В последней статье European Pulsar Timing Array сделаны предположения, отличные от предположений, сделанных в других исследованиях, проведенных в прошлом. Вместо изучения взаимодействия темной материи и обычной материи предполагается, что эти взаимодействия происходят только за счет гравитационных эффектов.

«Мы предполагали, что темная материя взаимодействует с обычной материей только посредством гравитационного взаимодействия», — пояснила Самара. «Это довольно сильное утверждение: на самом деле, единственное, что мы знаем о темной материи, — это то, что она взаимодействует с гравитацией. Короче говоря, темная материя создает потенциальные ямы, в которых распространяются пульсирующие радиолучи. Но глубина этих ям является периодической. , поэтому время прохождения радиолуча от пульсаров до Земли также меняется с отчетливой периодичностью.

Ища именно этот эффект во второй волне данных Европейской системы синхронизации пульсаров, Самара и его коллеги смогли наложить новые ограничения на присутствие очень легкой темной материи вокруг пульсаров. Европейская система синхронизации пульсаров собирает эти данные уже почти 25 лет, используя 6 современных радиотелескопов, расположенных в разных местах Европы.

«Основываясь на нашем анализе, мы можем исключить, что сверхлегкие частицы в определенном диапазоне масс могут составлять все количество темной материи», — сказала Самара. «Итак, если бы они были там, нам все равно нужно было бы что-то еще, чтобы объяснить то, что мы видим. Этот результат довольно надежен, поскольку мы сосредоточились на гравитационном взаимодействии темной материи, а это единственное, что мы знаем наверняка».

Недавняя работа European Pulsar Timing Array показывает, что легкие частицы с массами 10–24,0 эВ≲м≲10–23,3 эВ не могут составлять 100% измеренной локальной плотности темной материи и могут иметь локальную плотность ρ≲0,3 на большинстве . Джефф/см³. Эти новые ограничения могут направить дальнейшие исследования в этой области, что может принести пользу будущим поискам неуловимого кандидата в темную материю.

«Теперь я планирую выяснить, есть ли у пульсаров признаки, которые могут рассказать нам больше о темной материи», — добавила Самара. «Более того, я вообще интересуюсь наукой о ПТА, поэтому мне также хотелось бы поработать над астрофизическим моделированием двойных систем сверхмассивных черных дыр, что считается убедительным объяснением фона случайных гравитационных волн, который мы недавно наблюдали».