Jak długo może istnieć ciemna materia?

Astronomowie od lat zastanawiają się czym jest ciemna materia. W nowym badaniu wykorzystali innowacyjną technologię spektrograficzną i teleskop Magellan Clay Telescope do obserwacji galaktyk, co pozwoliło wyznaczyć nowe limity czasu życia tej tajemniczej substancji.

.W ciągu ostatniego stulecia kosmolodzy zmagali się z pozornymi niespójnościami w tym, co widzieli we Wszechświecie. Na przykład obserwacje rotacji galaktyk sugerowały, że jest tam znacznie więcej masy, niż możliwa była do zobaczenia. Fizycy nazwali tę „brakującą” masę „ciemną materią”. Jej poszukiwania są niezwykle trudne, z racji, iż nie jest ona widoczna i astronomowie nie mają pojęcia czego dokładnie szukają.

Naukowcy zaczęli wykorzystywać połączenie modeli komputerowych i najnowocześniejszych obserwacji w celu ograniczenia właściwości, jakie może mieć ciemna materia.

Astronomowie z Tokyo Metropolitan University, pod kierownictwem Wen Yin, wykorzystali nową technikę spektrograficzną do obserwacji światła docierającego z dwóch galaktyk – Leo V i Tucana II. Wykorzystali 6,5-metrowy teleskop Magellan Clay Telescope w Chile do zbierania światła docierającego do Ziemi, zwracając szczególną uwagę na podczerwony obszar widma. Badanie zostało opublikowane w czasopiśmie Physical Review Letters.

Badacze skupili się na obiecującym kandydacie na ciemną materię – cząstce aksjonopodobnej (axion-like particle – ALP) i zastanawiali się, w jaki sposób może się ona „rozpadać” i spontanicznie emitować światło. Wiodące modele teoretyczne sprawiają, że obszar bliskiej podczerwieni jest szczególnie obiecującym miejscem do poszukiwań odpowiedzi.

Jednak jak podkreślają naukowcy, podczerwień jest również zatłoczoną i mylącą częścią widma elektromagnetycznego. Wynika to z szerokiego zakresu szumów i zakłóceń pochodzących z innych źródeł. Przykłady obejmują światło zodiakalne (słaba poświata, ukazująca się na nocnym niebie w pasie przebiegającym wzdłuż ekliptyki), słabe rozpraszanie światła słonecznego przez pył międzygwiezdny i światło emitowane przez atmosferę, gdy jest ogrzewana przez Słońce.

Aby to obejść, badacze zaproponowali nową technikę, która wykorzystuje fakt, że promieniowanie tła ma tendencję do pokrywania szerszego zakresu długości fal, podczas gdy światło z określonego procesu rozpadu załamuje się w wąskim zakresie. Różne najnowocześniejsze spektrografy podczerwone – takie jak NIRSpec na Kosmicznym Teleskopie Jamesa Webba, WINERED na Magellan Clay Telescope – mogą zostać wykorzystane do wdrożenia tej techniki, skutecznie przekształcając te instrumenty w detektory ciemnej materii.

.Dzięki precyzji technologii, naukowcy byli w stanie uwzględnić całe światło wykryte w bliskiej podczerwieni ze znaczną dokładnością. Fakt, że nie wykryli żadnego rozpadu, został następnie wykorzystany do ustalenia górnych limitów częstotliwości zdarzeń rozpadu lub dolnego limitu czasu życia cząstek ALP (teoretycznej ciemnej materii). Oszacowany dolny limit w sekundach wyniósł 10 z 25 do 26 zerami, co stanowi dziesięć do stu milionów razy więcej niż wiek Wszechświata. Jest to najbardziej rygorystyczne ograniczenie czasu, jaki może żyć ciemna materia, odkryte do tej pory.

Oprac. EG