Neue Einschränkungen für das Vorhandensein ultraleichter dunkler Materie in der Milchstraße

Dunkle Materie besteht aus Teilchen, die kein Licht reflektieren, emittieren oder absorbieren. Man geht davon aus, dass sie den größten Teil der Materie im Universum ausmacht. Das Fehlen von Wechselwirkungen mit Licht verhindert jedoch seinen direkten Nachweis mit herkömmlichen experimentellen Methoden.

Seit Jahrzehnten versuchen Physiker, alternative Methoden zur Entdeckung und Untersuchung dunkler Materie zu entwickeln, doch viele Fragen zu ihrer Natur und ihrer Präsenz in unserer Galaxie bleiben unbeantwortet. Experimente mit dem Pulsar Timing Array (PTA) haben versucht, das Vorhandensein sogenannter ultraleichter Dunkler-Materie-Partikel zu untersuchen, indem sie das Timing eines Ensembles galaktischer Millisekunden-Radiopulsare untersuchten (d. h. Himmelsobjekte, die regelmäßig millisekundenlange Radiowellenimpulse aussenden).

Das European Pulsar Timing Array, ein multinationales Forscherteam verschiedener Institute, das sechs Radioteleskope in ganz Europa zur Beobachtung bestimmter Pulsare einsetzt, hat kürzlich die zweite Welle der gesammelten Daten analysiert. Ihr Artikel, veröffentlicht in Briefe zur körperlichen Untersuchunglegt strengere Beschränkungen für das Vorhandensein ultraleichter dunkler Materie in der Milchstraße fest.

„Diese Arbeit war im Grunde das Ergebnis meines ersten Doktorandenprojekts“, sagte Clemente Smarra, 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, das Vorhandensein der sogenannten ultraleichten Dunklen Materie in unserer Galaxie einzudämmen .”

Ultraleichte Dunkle Materie ist ein hypothetischer Kandidat für Dunkle Materie, der aus sehr leichten Teilchen besteht und möglicherweise seit langem bestehende Rätsel auf dem Gebiet der Astrophysik lösen könnte. Die aktuelle Studie von Smarra und seinen Kollegen zielte darauf ab, mithilfe von Daten, die vom European Pulsar Timing Array gesammelt wurden, das mögliche Vorhandensein dieser Art dunkler Materie in unserer Galaxie zu untersuchen.

„Wir wurden von früheren Bemühungen auf diesem Gebiet inspiriert, insbesondere von der Arbeit von Porayko und ihren Mitarbeitern“, sagte Smarra. „Dank der längeren Dauer und der verbesserten Präzision unseres Datensatzes konnten wir das Vorhandensein ultraleichter Dunkler Materie in der Milchstraße strenger einschränken.“

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

„Wir gingen davon aus, dass dunkle Materie nur durch Gravitationswechselwirkung mit gewöhnlicher Materie interagiert“, erklärte Smarra. „Das ist eine ziemlich belastbare Behauptung: Tatsächlich ist das einzig Sichere, was wir über Dunkle Materie wissen, dass sie gravitativ wechselwirkt. Mit wenigen Worten: Dunkle Materie erzeugt potenzielle Vertiefungen, in denen sich Pulsar-Radiostrahlen bewegen. Aber die Tiefe dieser Vertiefungen ist.“ zeitlich periodisch, daher ändert sich auch die Laufzeit der Radiostrahlen von Pulsaren zur Erde mit einer ausgeprägten Periodizität.

Durch die Suche nach diesem besonderen Effekt in der zweiten vom European Pulsar Timing Array veröffentlichten Datenwelle konnten Smarra und seine Kollegen neue Beschränkungen für das Vorhandensein ultraleichter dunkler Materie um Pulsare festlegen. Das European Pulsar Timing Array sammelt diese Daten seit fast 25 Jahren mit sechs hochentwickelten Radioteleskopen an verschiedenen Orten in ganz Europa.

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

Die aktuelle Arbeit des European Pulsar Timing Array zeigt, dass ultraleichte Teilchen mit Massen von 10−24,0 eV≲m≲10−23,3 eV nicht 100 % der gemessenen lokalen Dichte dunkler Materie ausmachen können und höchstens eine lokale Dichte von ρ≲0,3 haben können GeV/cm³. Diese neuen Einschränkungen könnten die weitere Forschung in diesem Bereich leiten und möglicherweise zukünftige Suchen nach diesem schwer fassbaren Kandidaten für dunkle Materie beeinflussen.

„Ich plane derzeit zu untersuchen, ob Pulsare Signaturen haben, die uns mehr über dunkle Materie verraten können“, fügte Smarra hinzu. „Darüber hinaus interessiere ich mich allgemein für die PTA-Wissenschaft; daher würde ich auch gerne an der astrophysikalischen Modellierung supermassiver Schwarzloch-Binärsysteme arbeiten, von denen man annimmt, dass sie eine überzeugende Erklärung für den stochastischen Gravitationswellenhintergrund sind, den wir kürzlich beobachtet haben.“