Nieuwe beperkingen op de aanwezigheid van lichtgewicht donkere materie in de Melkweg

Er wordt verwacht dat donkere materie, bestaande uit deeltjes die geen licht reflecteren, uitzenden of absorberen, het grootste deel van de materie in het universum zal uitmaken. Het gebrek aan interactie met licht verhindert echter de directe detectie ervan met behulp van conventionele experimentele methoden.

Natuurkundigen proberen al tientallen jaren alternatieve methoden te bedenken om donkere materie te detecteren en te bestuderen, maar veel vragen over de aard en aanwezigheid ervan in onze Melkweg blijven onbeantwoord. Pulsar Timing Array (PTA)-experimenten proberen het bestaan ​​van zogenaamde ultralichte donkere materiedeeltjes te verifiëren door de millisecondentiming van een reeks galactische radiopulsars (dat wil zeggen hemellichamen die regelmatige milliseconden radiogolfpulsen uitzenden) te onderzoeken.

De European Pulsar Timing Array, een multinationaal team van onderzoekers van verschillende instituten dat zes radiotelescopen in heel Europa gebruikt om specifieke pulsars te observeren, analyseerde onlangs de tweede golf aan gegevens die ze verzamelden. Hun papiergepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrievenlegt strengere beperkingen op aan de aanwezigheid van lichtgewicht donkere materie in de Melkweg.

“Dit artikel was feitelijk het resultaat van mijn eerste doctoraatsproject”, vertelde Clemente Samara, co-auteur van het artikel, aan Phys.org. “Het idee ontstond toen ik mijn supervisor vroeg of ik onderzoek kon doen gericht op zwaartekrachtgolfwetenschap, maar dan vanuit een deeltjesfysica-perspectief. Het hoofddoel van het project was om het bestaan ​​van zogenaamde lichtgewicht donkere materie in onze Melkweg te beperken.”

Lichte donkere materie is een hypothetische kandidaat voor donkere materie, bestaande uit extreem lichte deeltjes die al lang bestaande mysteries in de astrofysica zouden kunnen oplossen. Het laatste onderzoek van Samara en zijn collega’s was gericht op het verifiëren van de mogelijkheid van de aanwezigheid van dit soort donkere materie in onze Melkweg, aan de hand van gegevens verzameld door de Europese Pulsar Timing Array.

“We zijn geïnspireerd door eerdere inspanningen op dit gebied, vooral door Het werk van Burayko en haar medewerkers“Dankzij de langere duur en verbeterde resolutie van onze dataset konden we strengere beperkingen stellen aan de aanwezigheid van lichtgewicht donkere materie in de Melkweg”, aldus Samara.

Het nieuwste artikel van de Europese Pulsar Timing Array maakt andere aannames dan die van andere onderzoeken uit het verleden. In plaats van de interacties tussen donkere materie en gewone materie te onderzoeken, wordt ervan uitgegaan dat deze interacties alleen plaatsvinden door zwaartekrachteffecten.

“We gingen ervan uit dat donkere materie alleen interageert met gewone materie door middel van zwaartekrachtinteractie”, legt Samara uit. “Dit is een vrij sterke bewering: het enige wat we zeker weten over donkere materie is dat deze in wisselwerking staat met de zwaartekracht. Kortom, donkere materie produceert potentiële bronnen waarin pulserende radiostralen zich verplaatsen. Maar de diepte van deze bronnen is periodiek. , en dus de reistijd. De radiostraal van pulsars naar de aarde verandert ook met een duidelijke periodiciteit.

Door precies dit effect te zoeken in de tweede golf gegevens van de Europese Pulsar Timing Array, konden Samara en zijn collega’s nieuwe beperkingen stellen aan de aanwezigheid van zeer lichte, donkere materie rond pulsars. De Europese Pulsar Timing Array verzamelt deze gegevens al bijna 25 jaar, met behulp van zes geavanceerde radiotelescopen die zich op verschillende plaatsen in Europa bevinden.

“Op basis van onze analyses kunnen we uitsluiten dat ultralichte deeltjes met een bepaald massabereik de volledige hoeveelheid donkere materie kunnen uitmaken”, zegt Samara. “Dus als ze er waren, zouden we nog steeds iets anders nodig hebben om uit te leggen wat we zien. Dit resultaat is redelijk robuust, omdat we ons hebben geconcentreerd op de zwaartekrachtsinteractie van donkere materie, wat het enige is dat we zeker weten.”

Recent werk van de Europese Pulsar Timing Array laat zien dat lichtgewicht deeltjes met een massa van 10−24,0 eV≲m≲10−23,3 eV niet 100% van de gemeten lokale dichtheid van donkere materie kunnen uitmaken en op de meeste plekken een lokale dichtheid van ρ≲0,3 kunnen hebben. . Jef/cm³. Deze nieuwe beperkingen zouden als leidraad kunnen dienen voor verder onderzoek op dit gebied, wat toekomstige zoektochten naar de ongrijpbare kandidaat voor donkere materie ten goede zou kunnen komen.

“Ik ben nu van plan om te onderzoeken of pulsars kenmerken hebben die ons meer kunnen vertellen over donkere materie,” voegde Samara eraan toe. “Bovendien ben ik over het algemeen geïnteresseerd in PTA-wetenschap, dus ik zou ook graag willen werken aan astrofysische modellering van binaire systemen van superzware zwarte gaten, waarvan wordt aangenomen dat dit een overtuigende verklaring is voor de willekeurige zwaartekrachtsgolfachtergrond die we onlangs hebben waargenomen.”