Fysiker har länge försökt frigöra mörk materia och få en verklig titt på den mystiska substansen som utgör en fjärdedel av universum. En idé för vad som gömmer sig under osynlighetens kappa? Många små, luddiga partiklar som uppför sig som en gigantisk partikel.
Men den senaste jakten på sådana fuzzy, ultralight-partiklar, publicerad 28 februari i Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, har kommit tomhänt.
Resultaten tyder på att om mörk substans verkligen är gjord av dessa små partiklar är den lika svårfångad som namnet antyder och interagerar knappt med vanligt ämne.
Hjärta av mörker
Mörk materia är en av universums bäst bevarade hemligheter. Sakerna interagerar inte med ljus, men utövar ett gravitationskraft på andra ämnen. Även om det utgör ungefär en fjärdedel av massan och energin i universum, kan forskare inte tyckas hitta den eller ens räkna ut vad den är gjord av.
Många forskare spekulerar i att mörk materia kan bestå av svagt samverkande massiva partiklar, WIMP. Men WIMP-teorier är korta på flera sätt. Till exempel borde dessa partiklar orsaka små strukturer i galaxbanan som astronomer inte har sett. Så istället letar vissa forskare i en annan riktning efter mörk materia - till ultralätt partiklar.
Även om det finns många idéer om vad mörk materia kan vara, har ingen av dem mycket stödjande bevis, sa Sergey Troitsky, en medförfattare till uppsatsen och en forskare vid Institute for Nuclear Research vid Russian Academy of Sciences. "Så man måste överväga, studera och utesluta alla möjligheter en efter en."
Vissa teorier om ultralätt, även känd som fuzzy, dark matter, föreslår en partikel som är cirka 10 ^ 28 gånger lättare än en elektron. Denna "fuzzy" mörk materia heter så eftersom den låga massan innebär att den fungerar mer som en smetad partikel med suddiga gränser än en våg. Den nya forskningen testade ett sätt att leta efter dessa typer av partiklar i ljuset från aktiva galaxer.
Eftersom mörk materia utgör en så stor del av universumet, om det är tillverkat av ultralätt partiklar, måste det finnas mycket av dem. Så många, faktiskt, att de skulle existera i ett unikt tillstånd, som ett fält eller ett Bose-Einstein-kondensat - ett tillstånd där partiklar, ofta vid ultra-coola temperaturer, klumpar samman och agerar sammanhängande som ett. Medan enskilda mörka materialpartiklar inte interagerar med ljus - varför forskare har kämpat för att hitta dem - på stora skalor, skulle fältet ha en märkbar effekt på polarisationen, eller orienteringen, av ljus när det vinglar genom rymden. Detta skulle inträffa när fältets täthet regelbundet oscillerar, vilket i själva verket ändrar ljusets väg genom området.
Teorin antydde att denna effekt kunde ses i en region med mörk materia minst 325 ljusår över hela världen. Fältets svängningshastighet beror direkt på massan av de ultralättade mörka materialpartiklarna, så genom att se denna effekt hoppades forskarna att de kunde mäta massan av mörk materia.
För att leta efter förändringar i polarisering av ljus på grund av fält med ultralätt mörk materia tittade forskarna på arkivdata från Very Long Baseline Array, ett radioteleskop bestående av 10 (82 fot) (25 meter) teleskop drivna från Socorro, New Mexico. De fokuserade på ljus från hjärtan från 30 galaxer, som sprider ut enorma mängder materia i strålar som kan sträcka hundratals ljusår över. Ljuset från dessa galaxer är starkt polariserat och har studerats väl, så långtidsarkivdata om dem fanns redan tillgängliga.
"Vi använder ofta astrofysisk data från publicerade artiklar eller allmänt tillgängliga databaser för att begränsa egenskaperna hos elementära partiklar," sa Troitsky till Live Science. "Men den här gången kontaktade vi våra andra radioastronomer och de grävde i sina egna data och valde noggrant observationsserier bara för vår uppgift."
Genom att analysera två decennier med data hittade forskarna många svängningar, men inte de typer de letade efter. Aktiva galaktiska kärnor pulsar ofta utan regelbunden frekvens. Men svängningar från ultralätt mörkt material skulle alla inträffa med samma tidsperiod mellan svängningarna.
I slutändan såg forskarna inga tecken på ultralätt mörk materia, åtminstone på de typer av massor som kunde förklara bristen på små strukturer som finns på galaxbanan. Men det betyder inte att de absolut inte existerar.
"Det finns ingen garanti för att en partikel av mörk materia har några interaktion med den synliga världen förutom gravitation, "sa Troitsky." Det skulle vara mycket svårt att upptäcka en sådan partikel med viss massa och ingen annan interaktion, även om det verkligen är ett av de enklaste alternativen för att förklara mörk materia. "
Medan den nya forskningen kan göra konventionell ultralätt mörk materia osannolik, är forskare inte redo att utesluta det.
"Det enda vi vet med säkerhet om mörk materia är att det ligger utanför känd partikelfysik," sade Rennan Barkana, en astronom vid Tel Aviv University i Israel, som inte var inblandad i studien. "Så tills vi har övertygande iakttagande bevis på arten av mörk materia, borde vi vara försiktiga med gissningar och spekulationer ... och hålla ett öppet sinne."
