Fysikere har lenge søkt å løsne mørk materie og få et faktisk blikk på det mystiske stoffet som utgjør en fjerdedel av universet. En ide for hva som gjemmer seg under mantelen av usynlighet? Mange bittesmå, uklare partikler som oppfører seg som en gigantisk partikkel.
Men den siste jakten på slike uklare, ultralette partikler, publisert 28. februar i Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, har kommet tomhendt opp.
Resultatene antyder at hvis mørk materie virkelig er laget av disse små partiklene, er den så unnvikende som navnet antyder, og interagerer knapt med vanlig materie.
Hjerte av mørket
Mørk materie er en av universets best bevarte hemmeligheter. Tingene samhandler ikke med lys, men utøver likevel en tyngdekraft på andre saker. Selv om det utgjør rundt en fjerdedel av massen og energien i universet, kan ikke forskere synes å finne den, eller til og med finne ut hva den er laget av.
Mange forskere spekulerer i at mørk materie kan bestå av svakt samvirke massive partikler, WIMPs. Men WIMP-teorier kommer til kort på flere måter. Disse partiklene bør for eksempel forårsake små strukturer i galaksenes nett som astronomer ikke har sett. Så i stedet leter noen forskere i en annen retning etter mørk materie - til ultralette partikler.
Selv om det er mange ideer om hva mørk materie kan være, har ingen av dem mye støtte, sier Sergey Troitsky, en medforfatter av papiret og en forsker ved Institute for Nuclear Research ved Russian Academy of Sciences. "Så man må vurdere, studere og ekskludere alle muligheter en etter en."
Noen teorier om ultralett, også kjent som uklar, mørk materie, foreslår en partikkel som er rundt 10 ^ 28 ganger lettere enn et elektron. Denne "uklare" mørke materien heter så fordi den lave massen betyr at den fungerer mer som en utsmurt partikkel med uskarphet grenser enn en bølge. Den nye forskningen testet en måte å lete etter denne typen partikler i lyset fra aktive galakser.
Siden mørk materie utgjør en så stor del av universet, hvis det er laget av ultralette partikler, må det være mye av dem. Så mange, faktisk, at de ville eksistere i en unik tilstand, som et felt eller et Bose-Einstein-kondensat - en tilstand der partikler, ofte ved ekstremt kule temperaturer, klumper seg sammen og fungerer sammenhengende som en. Mens individuelle mørkstoffpartikler ikke samhandler med lys - og det er grunnen til at forskere har kjempet for å finne dem - i store skalaer, vil feltet ha en merkbar effekt på polarisering, eller orientering, av lys når det vrikker rundt i rommet. Dette vil skje når tettheten til feltet oscillerer regelmessig, og faktisk endrer måten lyset reiste gjennom området.
Teorien antydet at denne effekten kunne sees i et område med mørk materie minst 325 lysår på tvers. Svingningshastigheten til feltet avhenger direkte av massen til ultralette mørke stoffpartikler, så ved å se denne effekten håpet forskerne at de kunne måle massen av mørk materie.
For å se etter endringer i polarisering av lys på grunn av felt med ultralett mørk materie, så forskerne på arkivdata fra Very Long Baseline Array, et radioteleskop bestående av 10 (82 fot) (25 meter) teleskoper operert fra Socorro, New Mexico. De fokuserte på lys fra hjertene til 30 galakser, som sprer ut store mengder materie i jetfly som kan strekke hundrevis av lysår på tvers. Lyset fra disse galaksene er sterkt polarisert og har blitt godt studert, så langsiktige arkivdata om dem var allerede tilgjengelig.
"Vi bruker ofte astrofysiske data fra publiserte artikler eller offentlig tilgjengelige databaser for å begrense egenskapene til elementære partikler," sa Troitsky til Live Science. "Men denne gangen tok vi kontakt med våre andre radioastronomer, og de gravde i sine egne data, og valgte nøye observasjonsserier bare for vår oppgave."
Forskerne analyserte to tiår med data, og forskerne fant mye svingninger, men ikke typene de lette etter. Aktive galaktiske kjerner pulserer ofte uten regelmessig frekvens. Men svingninger fra ultralett mørk materie ville alle oppstå med samme lang tid mellom svingningene.
Til syvende og sist så forskerne ikke tegn til ultralett mørk materie, i hvert fall på de massene som kunne forklare mangelen på små strukturer som finnes i galaksenett. Det betyr imidlertid ikke at de absolutt ikke eksisterer.
"Det er ingen garanti for at en mørk materiepartikkel har noen interaksjon med den synlige verden foruten tyngdekraften, "sa Troitsky." Det ville være veldig vanskelig å oppdage en slik partikkel med en viss masse og ingen annen interaksjon, selv om det virkelig er et av de enkleste alternativene for å forklare mørk materie. "
Selv om den nye forskningen kan gjøre konvensjonell ultralett mørk materie usannsynlig, er forskere ikke klare til å utelukke det.
"Det eneste vi vet med sikkerhet om mørk materie, er at den ligger utenfor kjent partikkelfysikk," sa Rennan Barkana, en astronom ved Tel Aviv University i Israel, som ikke var involvert i studien. "Så inntil vi har overbevisende observasjonsbevis for arten av mørk materie, bør vi være forsiktige med gjetninger og spekulasjoner ... og holde et åpent sinn."
