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Neue Einschränkungen für das Vorhandensein leichter Dunkler Materie in der Milchstraße

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Es wird erwartet, dass Dunkle Materie, die aus Teilchen besteht, die kein Licht reflektieren, emittieren oder absorbieren, den größten Teil der Materie im Universum ausmacht. Da es jedoch keine Wechselwirkungen mit Licht aufweist, ist ein direkter Nachweis mit konventionellen experimentellen Methoden nicht möglich.

Seit Jahrzehnten versuchen Physiker, alternative Methoden zur Entdeckung und Untersuchung dunkler Materie zu entwickeln, doch viele Fragen zu ihrer Natur und Präsenz in unserer Galaxie bleiben unbeantwortet. Experimente mit dem Pulsar Timing Array (PTA) versuchen, die Existenz sogenannter ultraleichter Dunkler-Materie-Partikel zu bestätigen, indem sie das Millisekunden-Timing einer Reihe galaktischer Radiopulsare (d. h. Himmelskörper, die regelmäßige Millisekunden-Radiowellenimpulse aussenden) untersuchen.

Das European Pulsar Timing Array, ein multinationales Forscherteam verschiedener Institute, das sechs Radioteleskope in ganz Europa zur Beobachtung bestimmter Pulsare nutzt, hat kürzlich die zweite Welle der gesammelten Daten analysiert. Ihr Papierveröffentlicht in Briefe zur körperlichen Untersuchungstellt strengere Beschränkungen für das Vorhandensein leichter Dunkler Materie in der Milchstraße dar.

„Diese Arbeit war im Grunde das Ergebnis meines ersten Doktorandenprojekts“, sagte Clemente Samara, Co-Autor der Arbeit, gegenüber Phys.org. „Die Idee entstand, als ich meinen Betreuer fragte, ob ich Forschung mit Schwerpunkt auf der Gravitationswellenwissenschaft durchführen könnte, allerdings aus der Perspektive der Teilchenphysik. Das Hauptziel des Projekts bestand darin, die Existenz der sogenannten leichten Dunklen Materie in unserer Galaxie einzuschränken.“

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Helle dunkle Materie ist ein hypothetischer Kandidat für dunkle Materie, bestehend aus extrem leichten Teilchen, die seit langem bestehende Rätsel der Astrophysik lösen könnten. Die jüngste von Samara und seinen Kollegen durchgeführte Studie zielte darauf ab, die Möglichkeit des Vorhandenseins dieser Art dunkler Materie in unserer Galaxie anhand von Daten zu überprüfen, die vom European Pulsar Timing Array gesammelt wurden.

„Wir haben uns von früheren Bemühungen in diesem Bereich inspirieren lassen, insbesondere von Die Arbeit von Burayko und ihren Mitarbeitern„Dank der längeren Dauer und der verbesserten Auflösung unseres Datensatzes konnten wir das Vorhandensein leichter Dunkler Materie in der Milchstraße strenger einschränken“, sagte Samara.

Das neueste Papier des European Pulsar Timing Array geht von anderen Annahmen aus als andere in der Vergangenheit durchgeführte Studien. Anstatt die Wechselwirkungen zwischen Dunkler Materie und gewöhnlicher Materie zu untersuchen, geht man davon aus, dass diese Wechselwirkungen nur durch Gravitationseffekte stattfinden.

„Wir gingen davon aus, dass dunkle Materie nur durch Gravitationswechselwirkung mit gewöhnlicher Materie interagiert“, erklärte Samara. „Das ist eine ziemlich starke Behauptung: Tatsächlich ist das einzig Sichere, was wir über Dunkle Materie wissen, dass sie mit der Schwerkraft interagiert. Kurz gesagt, dunkle Materie erzeugt potenzielle Vertiefungen, in denen sich pulsierende Radiostrahlen bewegen. Aber die Tiefe dieser Vertiefungen ist periodisch.“ , und damit ändert sich auch die Laufzeit des Radiostrahls von Pulsaren zur Erde mit einer deutlichen Periodizität.

Durch die Suche nach genau diesem Effekt in der zweiten Datenwelle des European Pulsar Timing Array konnten Samara und seine Kollegen neue Beschränkungen für das Vorhandensein sehr heller dunkler Materie um Pulsare aufstellen. Das European Pulsar Timing Array sammelt diese Daten seit fast 25 Jahren und nutzt dabei sechs fortschrittliche Radioteleskope an verschiedenen Orten in ganz Europa.

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„Aufgrund unserer Analysen können wir ausschließen, dass ultraleichte Teilchen in einem bestimmten Massenbereich die gesamte Dunkle Materie ausmachen könnten“, sagte Samara. „Wenn sie also da wären, bräuchten wir noch etwas anderes, um zu erklären, was wir sehen. Dieses Ergebnis ist ziemlich robust, da wir uns auf die Gravitationswechselwirkung der Dunklen Materie konzentriert haben, die das Einzige ist, was wir sicher wissen.“

Aktuelle Arbeiten des European Pulsar Timing Array zeigen, dass leichte Teilchen mit Massen von 10−24,0 eV≲m≲10−23,3 eV nicht 100 % der gemessenen lokalen Dichte dunkler Materie ausmachen können und auf Most eine lokale Dichte von ρ≲0,3 haben können . Jeff/cm3. Diese neuen Einschränkungen könnten die weitere Forschung in diesem Bereich leiten und künftigen Suchen nach dem schwer fassbaren Kandidaten für Dunkle Materie zugute kommen.

„Ich habe jetzt vor zu untersuchen, ob Pulsare Signaturen haben, die uns mehr über dunkle Materie verraten können“, fügte Samara hinzu. „Darüber hinaus interessiere ich mich allgemein für die PTA-Wissenschaft, daher würde ich auch gerne an der astrophysikalischen Modellierung binärer Systeme supermassiver Schwarzer Löcher arbeiten, was als überzeugende Erklärung für den zufälligen Gravitationswellenhintergrund gilt, den wir kürzlich beobachtet haben.“

Mehr Informationen:
Clemente Samara et al., Zweite Veröffentlichung von Daten des European Pulsar Timing Array: Challenging the ultralight Dark Matter Model, Briefe zur körperlichen Untersuchung (2023). doi: 10.1103/PhysRevLett.131.171001

Informationen zum Magazin:
Briefe zur körperlichen Untersuchung


Magda Franke

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