Учёные из Университета Флориды разработали инновационный метод прямого обнаружения ультралёгкой тёмной материи, используя астрометрию – сверхточное измерение положения и движения небесных тел. Это открытие может стать прорывом в давних поисках загадочной субстанции, составляющей большую часть массы Вселенной.

Тёмная материя, как известно, не взаимодействует со светом, что делает её невидимой для традиционных методов наблюдения. Среди множества кандидатов на роль тёмной материи, ультралёгкая тёмная материя, состоящая из частиц с чрезвычайно малой массой, остаётся одной из самых перспективных, но до сих пор неуловимых целей для учёных.

В новой статье исследователи представили альтернативный подход, основанный на использовании астрометрии для фиксации гравитационного влияния тёмной материи.

«Наше исследование выросло из фундаментального вопроса: как обнаружить тёмную материю, если она взаимодействует с обычной материей только через гравитацию? Традиционно такая ситуация считалась сложной для прямого обнаружения. Однако, опираясь на новаторскую работу Хмельницкого и Рубакова, мы осознали, что ультралёгкая тёмная материя создаёт измеримые флуктуации пространства-времени, которые можно обнаружить с помощью точных астрометрических измерений» – объясняет Сарунас Вернер, соавтор статьи.

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

В отличие от предыдущих поисков, которые в основном полагались на наблюдение за периодическими сигналами от миллисекундных пульсаров, новый метод фокусируется исключительно на гравитационных взаимодействиях, используя прецизионную астрометрию. Метод использует тот факт, что ультралёгкая тёмная материя создаёт едва заметные, но детектируемые флуктуации в самом пространстве-времени. Эти флуктуации влияют на видимое положение таких объектов, как звёзды и квазары. В частности, учёные показали, что наиболее значительный эффект проявляется через «классическую аберрацию» – небольшое угловое отклонение света от далёких источников, вызванное движением наблюдателя в пространстве.

Учёные рассчитали, как вызванные ультралёгкой тёмной материей ряби пространства-времени влияют на классическую аберрацию, делая её зависимой от расстояния. Это означает, что близлежащие источники демонстрируют немного иную аберрацию, чем далёкие. Эти вариации чрезвычайно малы – менее 1 микросекунды дуги – и требуют высокоточных астрометрических измерений. Учёные показали, что эти эффекты потенциально обнаружимы с помощью существующих и будущих астрометрических обзоров, таких как VLBI, Gaia и перспективных обсерваторий, вроде THEIA.

Новый метод открывает принципиально иной путь для поиска ультралёгкой тёмной материи, основанный исключительно на гравитационном взаимодействии. Это особенно важно, так как позволяет искать кандидатов, которые могут быть полностью отличны от Стандартной модели, взаимодействуя только посредством гравитации.

При этом, метод дополняет существующие методы поиска ультралёгкой темной материи, включая измерения космического микроволнового фона (CMB) и наблюдения крупномасштабной структуры (LSS). В сочетании с этими данными, прецизионная астрометрия может значительно повысить способность обнаруживать или ограничивать параметры ультралёгких частиц тёмной материи в диапазоне масс ниже 10-22 электронвольт. Этот диапазон масс особенно интересен, поскольку соответствует частицам с длинами волн галактических масштабов, что потенциально может решить некоторые проблемы космологии малых масштабов.

Подробнее на iXBT