I en ny studie publicerad i Physical Review Letters har forskare uppskattat en ny nedre gräns för massan hos ultralätta bosoniska mörka materiapartiklar.
Mörk materia, som tros utgöra cirka 85 % av materiainnehållet i universum, har hittills undgått direkt observation. Dess existens kan endast slutas utifrån dess gravitationella effekter på kosmiska strukturer.
På grund av detta har forskare inte kunnat identifiera mörk materia och därmed dess massa. Enligt vår nuvarande kvantmekaniska modell måste alla fundamentala partiklar vara antingen fermioner eller bosoner.
Tidigare forskning har framgångsrikt fastställt den nedre gränsen för mörk materia (om den är fermionisk) med hjälp av Paulis uteslutningsprincip.
Paulis uteslutningsprincip förhindrar två fermioner (elektroner, protoner, neutroner) från att uppta samma kvanttillstånd samtidigt. Detta gäller dock inte bosoner (fotoner, gluoner, Higgs-partiklar).
Phys.org talade med studiens försteförfattare, Tim Zimmermann, doktorand vid Institutet för teoretisk astrofysik, Universitetet i Oslo.
Zimmermann sa: ”Genom astrofysikens lins är ett produktivt sätt att begränsa mörk materia är egenskaper att från observationer extrahera vad den inte är. I detta arbete fastställer vi en ny grundläggande gräns för massan hos mörk materiapartikeln, förutsatt att den faller inom kategorin ultralätta bosoner.”
Enligt deras studie måste massan av ultralätt bosonmörk materia vara mer än 2 × 10-21 elektronvolt (eV), 100 gånger mer än tidigare uppskattningar baserade på Heisenbergs osäkerhetsprincip.
Kinematiska observationer av Leo II
Teamets metod fokuserar på data från Leo II, en satellitgalax till Vintergatan. Det är en dvärggalax som är 1 000 gånger mindre än Vintergatan.
”Vad vi behöver är en enda ögonblicksbild av hur Leo II ser ut. Att tolka denna ögonblicksbild visar sig vara ganska enkelt eftersom den är en nära granne till Vintergatan och vi därför inte behöver modellera ytterligare saker som universums expansion för att tolka ögonblicksbilden”, säger Zimmermann.
Genom att studera stjärnornas rörelser i Leo II kan forskarna dra slutsatser om hur mörk materia är fördelad i galaxen. Detta beror på att stjärnornas rörelser styrs av gravitationskraften från galaxens totala massa, inklusive mörk materia.
”Vi utnyttjar allt vi vet om Leo II, särskilt hur den ser ut inuti. Vi går ett steg längre och löser Schrödingers ekvation för att bestämma alla möjliga tillstånd som mörk materia kan existera i. Vårt resultat är datautmattande och använder endast fysikens grundläggande principer”, förklarar Zimmermann.
Teamet skapade 5 000 möjliga profiler för mörk materia som stämmer överens med den observerade stjärnkinematiken i Leo II. För detta använde de ett Markov-kedja-Monte-Carlo-samplingsverktyg kallat GRAVSPHERE som löser Jeans ekvation för att dra slutsatser om mörk materiaens densitetsprofil.
De jämförde sedan dessa observationsbaserade profiler med densitetsprofiler skapade av kvantvågfunktioner som representerar mörk materia med olika möjliga massor.
Fastställande av en nedre gräns och blandad mörk materia
Forskarna fann att när mörk materiapartikeln är för lätt (under 2,2 × 10-21 eV) kan kvantvågfunktionerna inte återge den observerade mörk materia-täthetsfördelningen på grund av grundläggande begränsningar från osäkerhetsprincipen.
Osäkerhetsprincipen begränsar hur exakt en partikels position och rörelsemängd kan bestämmas samtidigt.
I fallet med mycket lätta mörk materiapartiklar skapar detta en kvantfuzzighet, där de beter sig mer som vågor än lokaliserade partiklar. Denna kvantfuzzighet skulle förhindra att mörk materia koncentreras till små områden.
Forskarna utvecklade ett beräkningsverktyg kallat JAXSP för att fastställa sina resultat. Verktyget gjorde det möjligt för dem att rekonstruera vågfunktionerna för mörk materiapartiklar och avgöra om de kunde återge de som observerats i densitetsprofilerna för Leo II.
Genom statistisk analys kunde de identifiera den punkt där partikelmassan blev för liten för att förklara den observerade galaxstrukturen.
Jämfört med tidigare studier förbättrade forskarna den nedre gränsen för mörk materia med två storleksordningar.
Resultaten har betydande konsekvenser för populära ultralätta mörk materia-modeller, särskilt fuzzy dark matter, som vanligtvis föreslår partiklar med massor runt 10-22 eV.
”Fuzzy dark matter på 10-22 eV var redan under hårt tryck av en rad oberoende studier före vårt arbete”, säger Zimmermann.
”Det som har förändrats är att vi nu kan dra denna slutsats med större säkerhet, helt enkelt för att även om man inte använder alla dessa fantasifulla modeller för hur universum expanderar, hur gas absorberar ljus eller hur stjärnor utvecklas under miljontals år, så utesluter vårt resultat fortfarande vanlig fuzzy dark matter.”
Framöver är teamet intresserat av att utforska modeller med blandad mörk materia.
”En alltmer populär idé inom forskningen om mörk materia är blandad mörk materia, idén att mörk materia inte bara består av en partikel med en massa, utan av många partiklar med olika massor”, förklarar Zimmermann.
”Att utvidga vår analys till detta scenario och fastställa en robust gräns för blandad mörk materia som endast bygger på information om det lokala universum är ett naturligt steg framåt.”
Mer information: Tim Zimmermann et al, Dwarf Galaxies Imply Dark Matter Is Heavier than 2.2×10−21 eV, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.151001
