Астрофизики предлагают новый метод прямого обнаружения сверхлегкой темной материи

Длина волны Комптона, превышающая расстояние от источника, вызывает кажущиеся позиционные сдвиги из-за поля темной материи. Автор: Jeff A. Dror & Sarunas Verner.

Обнаружение темной материи, неуловимого типа материи, которая, как предсказывают, составляет большую часть массы Вселенной, является давней целью в области астрофизики. Поскольку темная материя не излучает, не отражает и не поглощает свет, ее нельзя наблюдать с помощью обычных экспериментальных методов.

Перспективным кандидатом на роль темной материи является так называемая сверхлегкая темная материя, которая состоит из частиц с чрезвычайно малой массой. Астрофизики искали эти сверхлегкие частицы темной материи, используя различные подходы и методы, но пока они не были обнаружены.

Исследователи из Университета Флориды недавно предложили новый метод прямого обнаружения сверхлегких частиц темной материи, основанный на астрометрии — точном измерении положения и движения небесных объектов.

В их статье, опубликованной в Physical Review Letters, излагается альтернативный подход, который можно было бы использовать в будущих поисках этих неуловимых частиц.

«Наше исследование возникло из фундаментального вопроса: как мы можем обнаружить темную материю, если она взаимодействует с обычной материей только посредством гравитации?» — рассказал Phys.org соавтор статьи Шарунас Вернер.

«Традиционно этот сценарий считался сложным для прямого обнаружения. Однако, основываясь на пионерской работе Хмельницкого и Рубакова (2014), мы признали, что сверхлегкая темная материя — с длиной волны де Бройля, сопоставимой с галактическими масштабами — создает измеримые флуктуации пространства-времени, которые можно обнаружить с помощью точных астрометрических измерений».

Большинство предыдущих поисков сверхлегкой темной материи опирались на массивы пульсарных хронометров (т. е. коллекции миллисекундных пульсаров по всему небу, которые периодически наблюдаются астрономами) в качестве инструментов обнаружения. Напротив, Вернер и его коллега Джефф А. Дрор исследовали возможность использования точной астрометрии для исследования сверхлегкой темной материи, наблюдая только за гравитационными взаимодействиями.

«Наш метод использует тот факт, что сверхлегкая темная материя создает небольшие, но обнаруживаемые флуктуации в самом пространстве-времени», — пояснил Вернер.

«Эти флуктуации влияют на видимое положение далеких небесных объектов, таких как звезды и квазары. В частности, мы продемонстрировали, что наиболее значительный эффект возникает из-за того, что астрономы называют «классической аберрацией» — небольшого углового отклонения света от далеких источников, вызванного движением наблюдателя в пространстве».

В рамках своего исследования ученые рассчитали, как эти сверхлегкие темные материальные ряби пространства-времени будут влиять на классическую аберрацию, делая ее зависящей от расстояния. Это означает, что близкие источники демонстрируют немного иную аберрацию, чем далекие.

«Эти изменения чрезвычайно тонкие — менее 1 микросекунды дуги — и требуют высокоточных астрометрических измерений», — сказал Вернер. «Мы показали, что эти эффекты потенциально можно обнаружить с помощью современных и будущих астрометрических обзоров, таких как VLBI, Gaia, и будущих обсерваторий, таких как THEIA».

Недавнее исследование Вернера и Дрора представляет совершенно новый метод исследования сверхлегкой темной материи, сосредоточенный исключительно на гравитационных взаимодействиях. Его опора на гравитационные взаимодействия может быть весьма выгодной, поскольку это может позволить исследователям искать кандидатов на темную материю, которые могут быть полностью отделены от Стандартной модели, за исключением только законов гравитации.

«Последствия нашего исследования существенны», — сказал Вернер. «Наш метод дополняет существующие исследования сверхлегкой темной материи, включая измерения космического микроволнового фона (CMB) и наблюдения крупномасштабной структуры (LSS).

«В сочетании с этими другими наборами данных прецизионная астрометрия может значительно повысить нашу способность обнаруживать или ограничивать сверхлегкие частицы темной материи в диапазоне масс ниже 10 ^-22 электрон-вольт. Этот диапазон масс особенно интересен, поскольку он соответствует частицам с длинами волн в галактических масштабах, что потенциально позволяет решать некоторые мелкомасштабные проблемы в космологии».

Новый метод обнаружения, предложенный этой исследовательской группой, может быть доработан и использован в будущих поисках сверхлегких частиц темной материи.

В своих следующих исследованиях Вернер и Дрор планируют расширить предложенный ими подход, чтобы его можно было использовать для исследования других подтипов сверхлегкой темной материи.

«Опираясь на эту основу, мы планируем расширить нашу теоретическую базу для исследования сверхлегкой векторной темной материи, которая может демонстрировать различные сигнатуры в астрометрических данных», — добавил Вернер.

«Мы также изучаем, как подобные принципы можно применить для исследования природы темной энергии, потенциально предлагая новые идеи о таинственной силе, вызывающей космическое ускорение».

Больше информации: Jeff A. Dror et al, New Method for the Astrometric Direct Detection of Ultralight Dark Matter, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.111003.