Fra svevende magneter til universets første stjerner: Jakten på mørk materie blir bredere

Mørk materie trenger ikke å ha én bestemt masse eller én bestemt måte å vekselvirke med vanlig materie på. Derfor flytter forskerne søket ut over de tradisjonelle detektorene: De leter etter sjeldne mekaniske impulser i laboratoriet, vurderer på nytt hvilke grenser fysikken i det tidlige universet faktisk setter, og undersøker om gravitasjonsbølger kan ha bevart spor etter de første kosmiske strukturene.

En svevende magnet på jakt etter ultratunge partikler

POLONAISE ved Rice University bruker en permanent magnet i milligramskala som svever i en superledende felle ved temperaturer nær det absolutte nullpunktet. Oppsettet isolerer magnetens bevegelse svært godt. En forbipasserende, ultratung mørk-materie-partikkel kan dermed i prinsippet etterlate et kortvarig kraftsignal.

Det første søket ga ingen kandidat-hendelser. Det er likevel et nyttig resultat: Forskerne kan utelukke enkelte kombinasjoner av partikkelmasse og vekselvirkningsstyrke som ville ha gitt et observerbart signal. Analysen dekker omtrent masseområdet 10^6–10^15 GeV/c². For lette formidlingspartikler oppgir studien grenser ned til koblingen αₙ = 3,2 × 10⁻⁹, med 95 prosent konfidensnivå.

Det sentrale er skalaen. Ifølge Rice var instrumentet følsomt for partikler som var rundt 10 millioner ganger tyngre enn dem tidligere levitasjonsforsøk har undersøkt. Dersom mørk materie er så tung at den forekommer svært sjelden, handler letingen mindre om å måle et vedvarende signal og mer om å vente på en uvanlig, kort passasje.

Mørke fotoner: En kosmologisk grense kan måtte revurderes

I den motsatte enden av masseskalaen ligger ultralette mørke fotoner. Tidligere kosmologiske begrensninger bygget på at et mørkt foton kan omdannes resonant til synlige fotoner eller plasmoner når massen samsvarer med plasmafrekvensen i omgivelsene. Slik energioverføring kunne varme opp plasmaet og gi målbare konsekvenser i kosmologiske observasjoner. 24

Et nyere teoretisk arbeid argumenterer for at prosessen ikke varer lenge nok til å overføre store energimengder. Når energi begynner å strømme inn i plasmaet, skal ikke-lineære ustabiliteter raskt dempe resonansen. Forfatterne konkluderer derfor med at de spesifikke begrensningene fra resonant omdanning i det tidlige universet må vurderes på nytt. 6

Det betyr ikke at mørke fotoner er oppdaget, eller at alle grenser for dem er borte. Andre kosmologiske og astrofysiske tester er fortsatt relevante, blant annet begrensninger knyttet til ikke-resonant absorpsjon og mulig oppvarming av det intergalaktiske mediet. 5 Poenget er mer grunnleggende: Grenser for nye partikler kan hvile på svært bestemte antakelser om dynamikken i et komplisert kosmisk plasma.

Pulsartiming kan åpne et vindu mot kosmisk morgen

En tredje forskningslinje forsøker ikke å fange en mørk-materie-partikkel i dag. I stedet undersøker den om mørk materie kan ha påvirket dannelsen av de første store sorte hullene.

Pulsartiming-arrayer, som NANOGrav, måler ankomsttidene til radiopulser fra mange pulsarer med ekstrem presisjon. NANOGrav har rapportert et signal som er forenlig med en stokastisk bakgrunn av gravitasjonsbølger i nanohertz-området. Ett foreslått bidrag til denne bakgrunnen er hypotetiske, supermassive «mørke stjerner» i det tidlige universet.

I dette scenariet kunne oppvarming fra utslettelse av mørk materie – snarere enn vanlig kjernefysisk fusjon – midlertidig holde slike urstjerner stabile. Når de deretter kollapset, kunne de etterlate massive frø til sorte hull. Modellberegninger viser at senere sammenslåinger av etterkommerne deres, under bestemte antakelser, kan bidra vesentlig og muligens dominerende til signalet pulsartiming-arrayer observerer.

Hypotesen er interessant fordi den knytter mørk materies natur til et annet kosmisk spørsmål: Hvordan kunne supermassive sorte hull oppstå så tidlig? Den er imidlertid fortsatt spekulativ. Gravitasjonsbølgebakgrunnen identifiserer ikke kilden alene, og det finnes flere mulige kilder og forklaringer.

Hva som endrer seg i søket

De tre tilnærmingene har samme mål, men svært ulik logikk:

• Laboratoriesensorer leter etter det direkte støtet fra en sjelden, svært tung partikkel.
• Plasmakosmologi undersøker om tidligere utelukkelser av ultralette felt bygger på realistisk dynamikk i det tidlige universet.
• Gravitasjonsbølger kan teste om mørk materie indirekte spilte en rolle i kosmisk morgen, gjennom populasjoner av tidlige sorte hull.

Det finnes fortsatt ingen påvisning av mørk materie. Men søkefeltet er blitt betydelig bredere: fra sjeldne partikler som kanskje kan dytte på en svevende magnet, via felt så lette at plasmafysikken avgjør om de kan utelukkes, til astrofysiske levninger som kan ha satt avtrykk i gravitasjonsbølger milliarder av år senere.