天の川銀河における軽量暗黒物質の存在に関する新たな制約

ダークマターは、光を反射、放出、吸収しない粒子で構成されており、宇宙の物質の大部分を占めると予想されています。 しかし、光との相互作用がないため、従来の実験方法を使用して直接検出することはできません。

物理学者たちは何十年もの間、暗黒物質を検出して研究するための代替方法を考案しようと試みてきたが、その性質や銀河系における暗黒物質の存在に関する多くの疑問は未解決のままである。 パルサー タイミング アレイ (PTA) 実験は、銀河電波パルサー (つまり、規則的なミリ秒の電波パルスを放射する天体) のアレイのミリ秒のタイミングを調べることにより、いわゆる超軽量暗黒物質粒子の存在を検証しようとします。

欧州パルサー タイミング アレイは、ヨーロッパ各地で 6 台の電波望遠鏡を使用して特定のパルサーを観測するさまざまな研究機関の研究者からなる多国籍チームで、最近、収集したデータの第 2 波を分析しました。 彼らの論文、 に発表されました 物理的なレビューレターは、天の川銀河における軽量の暗黒物質の存在に対して、より厳しい制約を課します。

「この論文は基本的に私の最初の博士課程プロジェクトの成果です」と論文の共著者であるクレメンテ・サマラ氏はPhys.orgに語った。 「このアイデアは、重力波科学に焦点を当てた研究を素粒子物理学の観点から実施できないかと上司に尋ねたときに生まれました。このプロジェクトの主な目的は、私たちの銀河内に存在するいわゆる軽量暗黒物質を制限することでした。」

軽い暗黒物質は、天体物理学の長年の謎を解決する可能性がある非常に軽い粒子で構成される暗黒物質の仮説的な候補です。 サマラらによって行われた最新の研究は、ヨーロッパパルサータイミングアレイによって収集されたデータを通じて、私たちの銀河にこの種の暗黒物質が存在する可能性を検証することを目的としていました。

「私たちはこの分野におけるこれまでの取り組み、特に ブライコとその協力者たちの仕事「データセットの持続時間が長くなり、解像度が向上したおかげで、天の川銀河における軽量暗黒物質の存在に対して、より厳しい制約を課すことができました」とサマラ氏は述べた。

European Pulsar Timing Array による最新の論文は、過去に実施された他の研究でなされた仮定とは異なる仮定を立てています。 暗黒物質と通常の物質の間の相互作用を調査する代わりに、これらの相互作用は重力の効果によってのみ発生すると仮定します。

「私たちは暗黒物質が重力相互作用を通じてのみ通常の物質と相互作用すると仮定しました」とサマラ氏は説明した。 「これはかなり強力な主張です。実際、暗黒物質について私たちが知っている唯一の確かなことは、暗黒物質が重力と相互作用するということです。要するに、暗黒物質は脈動する放射線が伝わる潜在的な井戸を生成します。しかし、これらの井戸の深さは周期的です」パルサーから地球への電波ビームも明確な周期性で変化します。

ヨーロッパパルサータイミングアレイからのデータの第2波でまさにこの効果を探すことにより、サマラと彼の同僚は、パルサーの周囲の非常に軽い暗黒物質の存在に新たな制約を課すことができました。 European Pulsar Timing Array は、ヨーロッパ各地にある 6 台の高度な電波望遠鏡を使用して、25 年近くにわたってこのデータを収集してきました。

「私たちの分析に基づいて、特定の質量範囲の超軽量粒子が暗黒物質の全量を構成する可能性を排除できます」とサマラ氏は述べた。 「したがって、もしそれらがそこにあったとしても、私たちが見ているものを説明するには別の何かが必要になるでしょう。私たちが焦点を当てたのは暗黒物質の重力相互作用であり、それが私たちが確かに知っている唯一のことなので、この結果はかなり堅牢です。」

European Pulsar Timing Array による最近の研究では、質量 10−24.0 eV≲m≲10−23.3 eV の軽量粒子は、測定された局所暗黒物質密度の 100% を占めることができず、ほとんどの地球上で局所密度 ρ≲0.3 を持つ可能性があることが示されています。 。 ジェフ/cm³。 これらの新たな制約は、この分野におけるさらなる研究の指針となる可能性があり、とらえどころのない暗黒物質候補の将来の探索に有益となる可能性がある。

「私は現在、パルサーに暗黒物質についてさらに詳しく知ることができる痕跡があるかどうかを調査する予定です」とサマラ氏は付け加えた。 「さらに、私は一般に PTA 科学に興味があるので、超大質量ブラック ホールの連星系の天体物理モデリングにも取り組みたいと思っています。これは、私たちが最近観察したランダムな重力波背景の説得力のある説明になると考えられています。」