Карликовая галактика Лев II помогла уточнить минимальную массу частицы темной материи
Новое значение составило 2,2×10-21 электронвольт в предположении, что темная материя состоит из бозонов
Физики оценили минимальную массу одной частицы темной материи в карликовой галактике Лев II и получили значение в 2,2×10-21 электронвольт. Ученые получили такой результат после анализа кинематического движения звезд в спутнике Млечного Пути, полагая, что темная материя состоит из бозонов одного вида. Новая оценка стала самой универсальной на сегодняшний день, поскольку основывалась на базовых принципах квантовой механики. Результаты исследования опубликованы в Physical Review Letters.
Физики давно предполагают существование темной материи, но в явном виде ее пока не нашли: ученые не увидели ни ее саму с помощью детектора LZ, ни даже темных фотонов, порожденных ее взаимодействием. В связи с этим исследователи идут на самые различные ухищрения с целью охарактеризовать параметры неуловимого феномена. Например, для оценки минимальной массы одной частицы темной материи достаточно потребовать, чтобы длина волны де Бройля в конкретной галактике была меньше вириального радиуса этой галактики. Для так называемых карликовых галактик эта оценка составила примерно 10-22 электронвольт, что дало физикам общее представление о порядке величины, но не стало окончательным и точным пределом.
Тим Циммерман (Tim Zimmermann) из Университета Осло совместно с коллегами из Великобритании и Нидерландов использовал данные о вращении звезд в галактике Лев II — карликовом спутнике Млечного Пути, чтобы восстановить статистический ансамбль волновых функций темной материи и соответствующие ей профили плотности.
Исследователи воспользовались принципом неопределенности Гейзенберга: они предположили, что произведение массы одной частицы темной материи на дисперсию ее скорости и пространственную протяженность, в которой она существует, должно быть больше, чем полторы постоянных Планка. Ученые использовали конкретные значения скорости и радиуса, полученные в результате анализа кинематических данных карликовой галактики Лев II: в распоряжении авторов оказался набор из пяти тысяч точек, для каждой из которых физики восстановили волновую функцию. Затем они сравнили реконструированные волновые функции с пространственным распределением звезд в галактике и проварьировали массу бозона до тех пор, пока оба распределения не стали статистически неразличимыми. В результате исследователи получили минимальную массу одной частицы темной материи в 2,2×10-21 электронвольт с доверительным интервалом 95 процентов.
Авторы работы подчеркнули, что приведенная ими оценка стала самой универсальной среди существующих сегодня исследований, поскольку исходила только из общих физических принципов и не использовала предположения о космологии или сложной нелинейной динамике темной материи. Ученые также отметили, что если предполагаемые частицы темной материи относятся к фермионам, то в таком случае нижняя оценка массы будет построена на принципе запрета Паули и составит примерно 120 электронвольт на том же наборе наблюдательных данных.
О том, как физики ограничили ультралегкую темную материю при помощи атомных часов, мы писали ранее.
При этом без обычного звездного коллапса
Канадские физики показали, что аксионоподобная ультралегкая темная материя способна генерировать мощное ультрафиолетовое излучение для быстрого формирования сверхмассивных черных дыр. При этом такое образование может происходить напрямую из холодного газа, без обычной фазы звездообразования. Статья с описанием работы размещена в репозитории arXiv.org.