Fra svævende magneter til de første stjerner: Jagten på mørkt stof bliver bredere

Mørkt stof behøver ikke at have én bestemt masse eller kun én måde at påvirke almindeligt stof på. Derfor bevæger forskerne sig nu langt ud over de traditionelle detektorer: De leder efter sjældne mekaniske stød i laboratoriet, genvurderer hvad fysikken i det tidlige univers faktisk tillader, og undersøger om gravitationsbølger bærer spor af de allerførste kosmiske strukturer.

En svævende magnet på jagt efter ultratunge partikler

POLONAISE-forsøget på Rice University bruger en permanent magnet i milligramskala, som svæver i en superledende fælde ved temperaturer tæt på det absolutte nulpunkt. Opstillingen isolerer magnetens bevægelser meget effektivt. Hvis en ultratung mørk-stof-partikel passerer forbi, kan den i princippet efterlade et kortvarigt kraftsignal.

Den første søgning fandt ingen kandidatbegivenheder. Det er dog ikke et resultat uden værdi: Fraværet af et signal gør det muligt at udelukke bestemte kombinationer af partikelmasse og vekselvirkningsstyrke, som burde have givet et målbart aftryk. Analysen dækker omtrent masseintervallet 10^6–10^15 GeV/c² og angiver for lette mediatorpartikler koblingsgrænser ned til αₙ = 3,2 × 10⁻⁹ ved 95 % konfidensniveau.

Det afgørende er her skalaen. Ifølge Rice var instrumentet følsomt over for partikler, der er omkring 10 millioner gange tungere end dem, tidligere forsøg med levitation har undersøgt. Hvis mørkt stof er så tungt, at partiklerne er meget sjældne, handler søgningen mindre om at måle et konstant signal og mere om at vente på en enkelt, flygtig passage.

Mørke fotoner: Et kosmologisk loft kan være mindre sikkert end antaget

I den modsatte ende af massespektret findes ultralette mørke fotoner. Tidligere kosmologiske begrænsninger byggede på idéen om, at når massen af en mørk foton svarer til plasmafrekvensen i omgivelserne, bliver omdannelsen til synlige fotoner eller plasmoner resonant forstærket. Den overførte energi kan varme plasmaet op og dermed efterlade målbare spor i universets udvikling. 24

Et nyere teoretisk arbejde peger imidlertid på, at processen ikke fortsætter længe nok til at afsætte store energimængder. Når energi begynder at strømme over i plasmaet, opstår ikke-lineære ustabiliteter, som hurtigt bremser resonansen. Forfatterne konkluderer derfor, at netop disse begrænsninger fra resonant omdannelse i det tidlige univers bør genovervejes. 6

Det betyder ikke, at mørke fotoner er fundet, eller at enhver grænse for dem er forsvundet. Andre kosmologiske og astrofysiske tests er fortsat relevante, herunder grænser knyttet til ikke-resonant absorption og mulig opvarmning af det intergalaktiske medium. 5 Pointen er mere grundlæggende: Begrænsninger på nye partikler afhænger ofte af meget specifikke antagelser om dynamikken i et yderst komplekst kosmisk plasma.

Pulsar-timing-arrays som vindue til kosmisk daggry

En tredje forskningslinje forsøger ikke at registrere en partikel her og nu. I stedet undersøger den, om mørkt stof kan have påvirket dannelsen af de første store sorte huller.

Pulsar-timing-arrays som NANOGrav måler ankomsttiderne for radiopulser fra mange pulsarer med ekstrem præcision. NANOGrav har rapporteret et signal, der er foreneligt med en stokastisk baggrund af gravitationsbølger i nanohertz-området. En foreslået forklaring på en del af baggrunden involverer hypotetiske, supermassive "mørke stjerner" i det tidlige univers.

I dette scenarie kunne opvarmning fra annihilationer af mørkt stof – frem for almindelig kernefusion – midlertidigt holde sådanne tidlige stjerner stabile. Når de senere kollapsede, ville de efterlade massive frø til sorte huller. Modellering viser, at efterfølgende sammensmeltninger mellem deres efterkommere under bestemte antagelser potentielt kan bidrage dominerende til det signal, pulsar-timing-arrays observerer.

Hypotesen er interessant, fordi den forbinder mørkt stof med et andet stort kosmisk spørgsmål: Hvordan kunne supermassive sorte huller opstå så tidligt? Men den er fortsat spekulativ. Gravitationsbølgebaggrunden identificerer ikke i sig selv sin kilde, og der findes flere mulige kilder og fortolkninger.

Hvad ændrer sig i jagten?

De tre tilgange har samme mål, men bygger på vidt forskellig logik:

• Laboratoriesensorer leder efter det direkte skub fra en sjælden, meget tung partikel.
• Plasmakosmologi undersøger, om ældre udelukkelser af ultralette felter bygger på en realistisk beskrivelse af dynamikken i det tidlige univers.
• Gravitationsbølger kan teste, om mørkt stof indirekte spillede en rolle ved kosmisk daggry gennem populationer af tidlige sorte huller.

Der er stadig ingen påvisning af mørkt stof. Men søgefeltet er blevet væsentligt bredere: Fra sjældne partikler, der måske kan skubbe til en svævende magnet, over felter så lette, at plasmafysikken afgør, om de kan udelukkes, til astrofysiske rester, der muligvis har sat et aftryk i gravitationsbølger milliarder af år senere.