Пульсары рассказывают о невидимом: поиск ультралегкой темной материи с помощью радиотелескопов

Темная материя — одна из любимых тем современных физиков. По расчетам, она составляет около 85% всей материи во Вселенной, но ее природа до сих пор неизвестна. Темная материя не взаимодействует со светом, поэтому ее нельзя наблюдать прямо с помощью обычных телескопов. Однако она оказывает гравитационное влияние на обычную материю, и это позволяет ее косвенно обнаруживать и изучать.

Существует множество гипотез о том, из чего состоит темная материя. Одна из них предполагает, что темная материя состоит из очень легких частиц, которые называются ультралегкой темной материей. Эти частицы имеют массу порядка 10^−24eV или меньше, что в миллионы раз меньше, чем масса электрона. Такие частицы могут потенциально объяснить некоторые наблюдаемые аномалии в астрофизике, такие как недостаток малых галактик или избыток гамма-излучения из центра Млечного Пути.

Но как можно обнаружить такие частицы, если они не взаимодействуют ни со светом, ни с обычной материей? Оказывается, что есть один способ, который использует особые объекты в космосе — с помощью пульсаров. Пульсары — это быстро вращающиеся нейтронные звезды, которые излучают регулярные импульсы радиоволн. Эти импульсы можно регистрировать на Земле с помощью радиотелескопов. Пульсары очень точно сохраняют свой период вращения, поэтому их называют космическими часами.

Если вокруг пульсара есть ультралегкая темная материя, то она создает периодические изменения в гравитационном потенциале, в котором движется радиолуч пульсара. Это приводит к тому, что время прихода импульсов на Землю меняется с характерной периодичностью, зависящей от массы частиц темной материи. Этот эффект можно искать, сравнивая время прихода импульсов от разных пульсаров, которые располагаются в разных направлениях на небе. Такой метод называется системой синхронизации пульсаров (PTA).

Европейская система синхронизации пульсаров (EPTA) — это международный проект, в котором участвуют шесть радиотелескопов, которые расположили в разных странах Европы. EPTA собирает данные почти 25 лет, и недавно опубликовал свои результаты в журнале Physical Review Letters.

Авторы статьи проанализировали волну данных, которая охватывает период с 1998 по 2018 годы. Они искали возможные изменения во времени прихода импульсов, которые могли бы свидетельствовать о наличии ультралегкой темной материи вокруг пульсаров. Однако не обнаружили никаких статистически значимых отклонений от ожидаемого поведения. Это позволило им установить новые ограничения на массу и плотность ультралегкой темной материи в нашей галактике.

По их расчетам, ультралегкие частицы с массами от 10^−24.0eV до 10^−23.3eV не могут составлять всю темную материю в нашей галактике, их максимальная локальная плотность не может превышать 0.3GeV/cm³. Данные ограничения являются самыми строгими на сегодняшний день и превосходят предыдущие результаты других проектов, таких как NANOGrav и PPTA. Эти ограничения также согласуются с теоретическими ожиданиями, основанными на моделях космологического развития Вселенной.

Эта работа является важным шагом в поиске ультралегкой темной материи с помощью пульсаров. Она демонстрирует, что этот метод имеет большой потенциал и может дать новые подсказки о природе темной материи в будущем. Авторы статьи планируют продолжать свои исследования, используя более длинные и точные данные, а также улучшая свои аналитические методы. Они также заинтересованы в других аспектах науки о пульсарах, таких как изучение систем двоичных сверхмассивных черных дыр, которые являются источниками гравитационных волн.

Темная материя остается одной из самых интригующих загадок физики. Но благодаря усилиям ученых, использующих разные методы и инструменты, мы можем надеяться, что однажды мы сможем раскрыть ее тайну.