Czy możemy być w posiadaniu bezpośrednich dowodów na istnienie ciemnej materii? W najnowszej pracy naukowcy proponują nową metodę wykrywania skupisk ciemnej materii w naszej galaktyce. Polega ona na obserwacji zaburzenia w sygnałach pulsarów, które mogłoby być wynikiem przejścia skupiska ciemnej materii przez linię łączącą obserwatora i pulsar. Metoda ta pozwoliłaby też na uzyskanie informacji o strukturze tych skupisk.

Ciemna materia, według ostatnich szacunków, miałaby pozostawać w stosunku do obserwowanej przez nas “zwykłej” materii jak 6 do 1. Naukowcy jednak spierają się co do tego, jak jest zbudowana oraz jaki jest jej rozkład w przestrzeni.

Wykonano co prawda szereg symulacji komputerowych, obrazujących położenie skupisk ciemnej materii w naszej galaktyce – ich wyniki dla różnych obszarów Drogi Mlecznej, w różnych chwilach od Wielkiego Wybuchu, można obejrzeć na stronie Jurga Diemanda z UCO/Lick Observatory. Istnieje jednak duży problem z bezpośrednim badaniem ciemnej materii, ponieważ nie emituje ona promieniowania elektromagnetycznego, które moglibyśmy zarejestrować. Do tej pory nie było więc dobrej metody, pozwalającej dowiedzieć się czegoś więcej o strukturze skupisk ciemnej materii.

Autorami nowej metody są E. R. Siegel, M. P. Hertzberg i J. N. Fry (“Probing Dark Matter Substructure with Pulsar Timing“). Wykorzystują oni zjawisko, przewidziane przez ogólną teorię względności. Polega ono na zmianie toru biegu fotonów pod wpływem oddziaływania grawitacyjnego. Jeśli jakaś masywna struktura przetnie linię, która łączy obserwatora i obiekt wysyłający fotony, lub przejdzie w jej pobliżu, spowoduje to wydłużenie czasu, jaki potrzebuje promieniowanie elektromagnetyczne na dotarcie do obserwatora. Jak pokazują autorzy metody, ten efekt bardzo silnie zależy od rozkładu gęstości masywnej struktury.

Ponieważ nie mamy możliwości mierzyć bezwzględnego czasu, jaki potrzebuje światło na dotarcie od gwiazdy na Ziemię, naukowcy sugerują inne rozwiązanie. Gdyby wykorzystać obserwacje źródeł, nadających sygnał o stałej częstotliwości, można by znaleźć zaburzenia w częstotliwości odbieranego sygnału, których przyczyną jest właśnie przejście masywnego obiektu wzdłuż linii obserwacji.

Doskonałymi źródłami są pulsary o okresach nadawanego sygnału rzędu 1 ms, dla których możemy zmierzyć okres z dokładnością 1 µs. Co ważne, dokładność ta nie zależy od długości czasu obserwacji.

Obecnie naukowcy dysponują wieloma danymi o częstotliwościach poszczególnych pulsarów. Jeśli uda się znaleźć zaburzenia w częstotliwości wysyłania promieniowania przez dany pulsar, można przypuszczać, że odpowiedzialnym za nie jest przejście masywnego, niewidocznego obiektu w pobliżu linii obserwacji. Rodzaj tych zaburzeń dostarczyłby informacji o strukturze obiektu. Jeśli taki obiekt byłby zbudowany z ciemnej materii, obserwacja pozwoliłaby na wgląd w wewnętrzną strukturę jej skupiska. To zaś pozwoliłoby na zweryfikowanie hipotez, łączących typ cząsteczki ciemnej materii z tym, jak zachowuje się ona w większych skupiskach. Sposób zaburzenia częstotliwości miałby też dostarczyć informacji o ich ruchu w przestrzeni.

Wielkość skupiska, którego wpływ możemy zaobserwować, jest ograniczona głównie dokładnością pomiaru częstotliwości pulsara. Obecnie bylibyśmy w stanie dostrzec wpływ skupisk o masie równej przynajmniej 20 mas Ziemi. Siegel szacuje, że w Drodze Mlecznej może znajdować się nawet 1015 takich niewidocznych, zbudowanych z ciemnej materii, obiektów.

Naukowcy są jednak dalecy od entuzjazmu. Przede wszystkim, podobne zaburzenia częstotliwości dla stabilnych pulsarów mogą być wywołane innymi zjawiskami, z których najważniejsze to fale grawitacyjne (gravitational wave background) i bariony w materii międzygwiazdowej. Ścisłe oszacowanie ich wpływu może być możliwe tylko po dokładnej analizie, więc wszelkie dane dotyczące zaburzeń częstotliwości pulsarów powinny być traktowane z odpowiednią ostrożnością.

Autor

Teresa Kubacka