|
Использование пульсаров для изучения темной материи
|
|
|
|
Темная материя - это тип материи, который, по прогнозам, составляет большую часть вещества во Вселенной, однако ее очень трудно обнаружить с помощью обычных экспериментальных методов, поскольку она не излучает, не поглощает и не отражает свет. В то время как в некоторых предыдущих исследованиях были получены косвенные намеки на ее существование, темная материя никогда не наблюдалась непосредственно; таким образом, ее состав остается загадкой.
|
|
|
|
Одна из гипотез заключается в том, что темная материя состоит из аксионоподобных частиц с чрезвычайно низкой массой, широко называемых сверхлегкой аксионоподобной темной материей (ALDM). Поскольку эти частицы чрезвычайно легки, предсказания предполагают, что в галактическом масштабе они будут вести себя скорее как волны, чем как отдельные частицы.
|
|
|
|
Коллаборация PPTA, большая команда исследователей, базирующаяся в различных институтах по всему миру, применила новый подход к поиску ALDM путем взаимной корреляции данных о поляризации пульсаров, нейтронных звезд, которые быстро вращаются и испускают очень регулярные пучки радиоволн. Этот подход, называемый "Pulsar Polarization Array (PPA)", предполагает измерение углов положения поляризации ряда пульсаров и того, как они изменялись с течением времени и в зависимости от пространственного положения пульсара.
|
|
|
|
Цель данного подхода - выявить закономерности корреляции этих изменений, которые могут быть объяснены присутствием сверхлегкой темной материи. Первые результаты, полученные в ходе этого исследования PPTA, были опубликованы в Physical Review Letters.
|
|
|
|
|
|
|
"Еще в 2021 году мы предложили создать PPA, используя данные, собранные с помощью программ pulsar timing array (PTA), позиционируя его как инновационный инструмент поляриметрии для изучения астрофизики и фундаментальной физики", - сказал Тао Лю, автор-корреспондент статьи. Phys.org.
|
|
|
|
"Мы определили обнаружение ALDM с помощью эффекта космического двойного лучепреломления, вызванного его связью Черна-Саймонса, как убедительное научное применение PPA".
|
|
|
|
Одной из наиболее интригующих характеристик сверхлегких частиц темной материи является их предсказанное волнообразное поведение при наблюдении в астрономических масштабах, что обусловлено их чрезвычайно низкой массой. Исследователи предположили, что ALDM заставит линейно поляризованный свет серии пульсаров пульсировать с отчетливыми колебаниями в своей поляризации, когда он пересекает галактическое гало.
|
|
|
|
"Это дает PPA замечательную возможность исследовать эту репрезентативную парадигму темной материи и продвинуть наше понимание природы темной материи", - сказал Цзин Жэнь, другой контактный автор статьи.
|
|
|
|
"Признавая потенциальное научное значение этого предложения, мы с нетерпением начали изучать возможность проведения первого анализа PPA в реальном времени для ALDM. К счастью, программа Parkes PTA (PPTA), одна из ведущих в мире программ PTA, с ее обширными долгосрочными данными о поляризации пульсаров, предоставила идеальную платформу для этого научного исследования".
|
|
Поиск сверхлегкой темной материи с помощью поляризационных матриц пульсаров
|
|
|
|
Чтобы сначала оценить свой подход к поиску сверхлегкой ALDM, исследователи собрали поляризационные данные о быстро вращающихся пульсарах, которые наблюдались с помощью радиотелескопа Parkes. Это радиоастрономическая обсерватория, расположенная недалеко от города Паркес в Австралии.
|
|
|
|
"Мы приступили к этому амбициозному поиску сверхлегкого ALDM, тщательно изучая ожидаемые колебания поляризации пульсаров PPA, которые указывают на влияние на всю галактику, при активной поддержке команды PPTA", - пояснил Лю. "Чтобы установить первый PPA, мы использовали данные о поляризации 22-миллисекундных пульсаров, предоставленные в третьем выпуске данных PPTA, который охватывает период наблюдений до 18 лет".
|
|
|
|
Лю и его коллеги изучили угол поляризации каждого из 22 пульсаров и выяснили, как он менялся с течением времени. Они удалили из данных источники шума и случайных флуктуаций, а затем попытались выявить закономерности корреляции сигналов поляризации между пульсарами.
|
|
|
|
"Разработка подходящей системы анализа, включая моделирование шума, имела решающее значение в нашем исследовании, учитывая инновационный характер этого метода", - сказал Рен.
|
|
|
|
"В конечном счете, благодаря эффективной взаимной корреляции данных о пульсарах в галактике, эта система позволила нам идентифицировать ключевую характеристику сверхлегкой аксионоподобной темной материи: остаточные поляризации, проявляющие определенную волновую структуру с течением времени и на огромных астрономических расстояниях".
|
|
|
|
Информирующие усилия, направленные на обнаружение сверхлегких аксионов
|
|
|
|
Изучая идентифицированный ими PPA, исследователи смогли установить новые ограничения на силу, с которой сверхлегкий ALDM будет взаимодействовать со светом. Их недавние усилия позволяют предположить, что PPA могут открыть весьма ценный путь для обнаружения волнообразных сигнатур, связанных со сверхлегким ALDM.
|
|
|
|
"Наше исследование устанавливает самые строгие ограничения на связь Черна-Саймонса для сверхлегкого ALDM в пределах его центрального диапазона масс, что представляет собой значительный шаг вперед", - сказал Лю.
|
|
|
|
"Это первый в истории анализ PPA, и, учитывая возможности радиотелескопов нового поколения, таких как FAST и SKA, для наблюдения за большим количеством пульсаров с большей точностью поляризации, мы очень рады возможностям PPA для дальнейшего изучения этого важного сценария темной материи в ближайшие годы".
|
|
|
|
В будущем Лю и его коллеги могли бы провести дальнейшие анализы и установить больше PPA, используя недавно собранные наборы данных о поляризации пульсаров. Тем временем другие команды физиков могли бы вдохновиться их работой и внедрить аналогичные методы для исследования сверхлегких ALDM, используя астрономические наблюдения.
|
|
|
|
"Текущие и будущие наборы данных о поляризации пульсаров из различных астрономических программ обширны, и данные PPTA являются лишь одним из примеров", - добавил Рен.
|
|
|
|
"В ближайшее десятилетие это научное направление может быть расширено, что еще больше расширит наши исследования. Кроме того, мы изучаем синергию между поляризацией пульсаров и временными сигналами. Чтобы облегчить более систематическое исследование загадки темной материи и, возможно, другие научные исследования, важно объединить PPA с дополнительными астрономическими инструментами, такими как PTA".
|
|
|
|
Источник
|
