Учёные планируют использовать наблюдения пульсаров — быстро вращающиеся нейтронных звёзд, рождённых после взрывов звёзд, которые массивнее Солнца в восемь раз, для изучения тёмной материи, самой загадочной сущности Вселенной. Пульсары являются идеальными «лабораториями» для изучения физики в условиях, не встречающихся больше нигде во Вселенной.
Существуют «миллисекундные пульсары», которые могут вращаться сотни раз в секунду и источать электромагнитное излучение из полюсов, подобно «космическим маякам». Когда их лучи направлены на Землю, эти нейтронные звёзды кажутся пульсирующими, что и дало им их название.
Сверхточная синхронизация изменения яркости миллисекундных пульсаров делает их подходящими для использования в качестве космических часов в «пульсарных хронометрических массивах». Эти массивы настолько точны, что могут измерять гравитационные возмущения в ткани пространства и времени, объединённых в четырёхмерную сущность пространство-времени. Это может оказаться идеальным способом обнаружить тёмную материю.
Тёмная материя остаётся загадкой, она не взаимодействует со светом или обычной материей, или, если взаимодействует, то очень слабо, и её невозможно обнаружить напрямую. Несмотря на то, что тёмная материя не взаимодействует со светом, она оказывает гравитационное влияние, и её присутствие можно заключить при влиянии на свет и даже на обычную материю. Именно эффект этого гравитационного влияния на свет Джон Лосекко из Университета Нотр-Дам, и его коллеги стремились зарегистрировать с помощью пульсаров.
Источник: NASA Goddard / Walt Feimer
Согласно общей теории относительности Альберта Эйнштейна, объекты, имеющие массу, искривляют ткань пространства-времени, из-за этой кривизны возникает гравитация. Когда свет проходит эти регионы, его путь также отклоняется. Это может изменить время прохождения света, заставляя свет от одного и того же объекта прибывать на детекторы в разное время.
Тёмная материя имеет массу, и, таким образом, концентрации этой формы материи также могут искривлять пространство-время. Таким образом, путь света от удалённых объектов искривляется, и время его прибытия задерживается, когда он проходит через концентрации тёмной материи.
Лосекко и его коллеги изучили данные, собранные с наблюдений 65 пульсаров в Parkes Pulsar Timing Array и наблюдали около 12 инцидентов, которые указывали на изменения и задержки во времени сигнала пульсаров, которые обычно имеют наносекундную точность. Это подразумевает что, лучи от этих «космических маяков» движутся сквозь искривления пространства, вызванного концентрацией массы где-то между пульсаром и телескопом. Команда предполагает, что эти массы являются кандидатами на роль «сгустков» тёмной материи.
Отклонения, наблюдаемые командой, крошечные. Тело с массой Солнца вызвало бы задержку радиоволн пульсара примерно на 10 микросекунд. Предполагаемые отклонения задержки из-за тёмной материи, наблюдаемые командой, в 10 000 раз меньше. «Одно из открытий предполагает искажение примерно 20% массы Солнца. Этот объект может быть кандидатом на тёмную материю», — сказал профессор Лосекко.
Одним из дополнительных эффектов исследований группы стало повышение точности данных Parkes Pulsar Timing Array, которые собираются для поиска свидетельств низкочастотного гравитационного излучения. Сгустки тёмной материи могут добавлять помехи или «шум» к этим данным, выявление и удаление этого шума поможет учёным лучше использовать набор данных для поиска гравитационных волн. Это может позволить обнаружить гравитационное излучение от более далёких и ранних слияний чёрных дыр — и, возможно, даже первичные гравитационные волны, оставшиеся от Большого взрыва.