Att upptäcka mörk materia, den svårfångade typ av materia som förutspås utgöra merparten av universums massa, är ett mål som länge har varit aktuellt inom astrofysiken. Eftersom mörk materia varken avger, reflekterar eller absorberar ljus kan den inte observeras med konventionella experimentella metoder.
En lovande kandidat för mörk materia är s.k. ultralätt mörk materia, som består av partiklar med extremt låg massa. Astrofysiker har sökt efter dessa ultralätta partiklar av mörk materia med hjälp av olika metoder, men de har ännu inte upptäckts.
Forskare vid University of Florida föreslog nyligen en ny metod för direkt upptäckt av ultralätta partiklar av mörk materia, som baseras på astrometri, den exakta mätningen av positioner och rörelser hos himlakroppar.
Deras artikel, som publicerades i Physical Review Letters, beskriver ett alternativt tillvägagångssätt som kan användas i framtida sökningar efter dessa svårfångade partiklar.
”Vår forskning utgick från en grundläggande fråga: Hur kan vi upptäcka mörk materia om den interagerar med vanlig materia endast genom gravitationen?” säger Sarunas Verner, medförfattare till artikeln, till Phys.org.
”Detta scenario har traditionellt ansetts vara utmanande för direkt detektering. Men genom att bygga vidare på pionjärarbetet av Khmelnitsky och Rubakov (2014) insåg vi att ultralätt mörk materia – med en de Broglie-våglängd som är jämförbar med galaktiska skalor – producerar mätbara rumtidsfluktuationer som kan detekteras genom precisionsmätningar med astrometri.”
De flesta tidigare sökningar efter ultralätt mörk materia har förlitat sig på pulsar-timing arrays (dvs. samlingar av millisekundspulsarer över himlen som regelbundet observeras av astronomer) som detekteringsverktyg. Verner och hans kollega Jeff A. Dror undersökte däremot möjligheten att använda precisionsastrometri för att undersöka ultralätt mörk materia genom att endast titta på gravitationella interaktioner.
”Vår metod utnyttjar det faktum att ultralätt mörk materia skapar små men påvisbara fluktuationer i själva rumtiden”, förklarar Verner.
”Dessa fluktuationer påverkar de synliga positionerna för avlägsna himlakroppar som stjärnor och kvasarer. Vi har särskilt visat att den mest betydande effekten uppstår genom det som astronomer kallar ”klassisk aberration” – den lilla vinkelavböjningen av ljus från avlägsna källor som orsakas av observatörens rörelse genom rymden.”
Som en del av sin studie beräknade forskarna hur dessa ultralätta rumtidskrusningar orsakade av mörk materia skulle påverka den klassiska aberrationen och göra den avståndsberoende. Detta innebär att närliggande källor uppvisar en något annorlunda aberration än avlägsna.
”Dessa variationer är extremt subtila – mindre än 1 mikrobågssekund i storlek – vilket kräver mycket exakta astrometriska mätningar”, säger Verner. ”Vi visade att dessa effekter potentiellt kan upptäckas med nuvarande och nästa generations astrometriska undersökningar som VLBI, Gaia och framtida observatorier som THEIA.”
Verners och Drors studie introducerar en helt ny metod för att undersöka ultralätt mörk materia, som enbart fokuserar på gravitationsinteraktioner. Det kan vara mycket fördelaktigt att förlita sig på gravitationsinteraktioner, eftersom det kan göra det möjligt för forskare att söka efter kandidater för mörk materia som kan vara helt frikopplade från standardmodellen, med det enda undantaget gravitationslagar.
”Konsekvenserna av vår studie är betydande”, säger Verner. ”Vår metod kompletterar befintliga sonderingar av ultralätt mörk materia, inklusive mätningar av den kosmiska mikrovågsbakgrunden (CMB) och observationer av storskalig struktur (LSS).
”I kombination med dessa andra dataset kan precisionsastrometri avsevärt förbättra vår förmåga att upptäcka eller begränsa ultralätta partiklar av mörk materia i massområdet under 10-22 elektronvolt. Detta massområde är särskilt intressant eftersom det motsvarar partiklar med våglängder på galaktiska skalor, vilket potentiellt kan lösa vissa småskaliga utmaningar inom kosmologin.”
Den nya detektionsmetod som forskargruppen föreslår kan vidareutvecklas och användas i framtida sökningar efter ultralätta partiklar av mörk materia.
I sina kommande studier planerar Verner och Dror att utvidga sin föreslagna metod så att den kan användas för att undersöka andra undertyper av ultralätt mörk materia.
”Vi bygger vidare på denna grund och planerar att utvidga vårt teoretiska ramverk för att undersöka ultralätt vektormörk materia, som kan uppvisa olika signaturer i astrometriska data”, säger Verner.
”Vi undersöker också hur liknande principer kan tillämpas för att undersöka den mörka energins natur, vilket potentiellt kan ge nya insikter om den mystiska kraft som driver den kosmiska accelerationen.”
För mer information: 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.
