Астрономи розробили новий спосіб пошуку темної матерії

Дослідники з Університету Флориди запропонували революційний метод виявлення надлегкої темної матерії, заснований на прецизійних астрометричних вимірюваннях, що дозволяє ідентифікувати просторово-часові флуктуації, викликані цими невловимими частинками.

Комптонівська довжина хвилі, що перевищує відстань до джерела, викликає видимі позиційні зсуви через поле темної матерії. Зображення: Jeff A. Dror & Sarunas Verner.

Темна матерія залишається однією з найбільших загадок сучасної астрофізики. Вона не взаємодіє зі світлом. Її неможливо безпосередньо спостерігати традиційними методами. Проте вона складає більшу частину маси Всесвіту.
Надлегка темна матерія та проблема виявлення
Серед різних кандидатів у темну матерію особливий інтерес становлять надлегкі частинки. Вони мають надзвичайно малу масу. Ці частинки характеризуються довжиною хвилі де Бройля, порівнянною з галактичними масштабами. Таке співвідношення створює унікальні можливості для виявлення.

Традиційно пошуки надлегкої темної матерії зосереджувались на часових масивах пульсарів. Вчені спостерігали за мілісекундними пульсарами по всьому небу.

Проте нове дослідження, опубліковане в Physical Review Letters, пропонує альтернативний підхід.

"Наше дослідження виникло з фундаментального питання: Як ми можемо виявити темну матерію, якщо вона взаємодіє зі звичайною матерією лише за допомогою гравітації?" – пояснює Сарунас Вернер, співавтор дослідження. Він з колегою Джеффом А. Дрором зосередились саме на гравітаційних взаємодіях.
Принцип нового методу
Запропонований метод використовує унікальне явище. Надлегка темна матерія створює флуктуації в самому просторі-часі. Ці флуктуації впливають на видимі положення віддалених небесних об'єктів. Зокрема, виникає ефект "класичної аберації".

"Ці флуктуації впливають на видимі положення далеких небесних об'єктів, таких як зірки і квазари," – зазначає Вернер. Класична аберація – це невелике кутове відхилення світла від віддалених джерел. Воно спричинене рухом спостерігача у просторі.

Темна матерія робить цю аберацію залежною від відстані. Ближчі джерела світла демонструють дещо інші аберації, ніж віддалені. Ці варіації надзвичайно малі – менше 1 мікроарксекунди. Їх виявлення потребує високоточних астрометричних вимірювань.

Дослідники показали, що такі ефекти можна потенційно виявити за допомогою сучасних інструментів. Серед них – технології радіоінтерферометрії з наддовгою базою (VLBI), космічний телескоп Gaia та майбутні обсерваторії, такі як THEIA.
Перспективи та значення
Новий метод має важливі переваги порівняно з традиційними підходами. Він зосереджений виключно на гравітаційних взаємодіях. Це дозволяє шукати кандидати в темну матерію, які повністю відокремлені від Стандартної моделі фізики. Єдиним винятком залишаються гравітаційні закони.

"Наш метод доповнює існуючі зонди надлегкої темної матерії, включаючи вимірювання космічного мікрохвильового фону та спостереження великомасштабних структур," – підкреслює Вернер. Поєднання різних методів може значно покращити шанси виявлення.

Особливо перспективним є пошук частинок з масою нижче 10*(-22) електрон-вольт. Цей діапазон відповідає частинкам з довжинами хвиль галактичних масштабів. Такі частинки потенційно можуть вирішити певні дрібномасштабні проблеми космології.

У майбутніх дослідженнях вчені планують розширити запропонований підхід. Вони хочуть застосувати його для вивчення надлегкої векторної темної матерії. Також розглядається можливість адаптації методу для дослідження природи темної енергії.

"Ми також досліджуємо, як подібні принципи можуть бути застосовані для дослідження природи темної енергії, потенційно пропонуючи нове розуміння таємничої сили, що керує космічним прискоренням," – розповідає Вернер про плани на майбутнє.