天文学家利用脉冲星探测太空中潜在的暗物质天体

这幅艺术家的概念图展示了一颗脉冲星，它就像一座灯塔，在旋转时发出有规律的脉冲光。脉冲星是恒星爆炸后的致密残余物，属于一类被称为中子星的天体。资料来源：NASA/JPL-Caltech

利用脉冲星探测暗物质

在宇宙"时间守护者"的帮助下，我们探测到了潜在暗物质物体的诱人证据。这些脉冲星--旋转并发出灯塔般的无线电波束，快速掠过太空的中子星--被用来识别神秘的隐蔽质量。脉冲星之所以有这个绰号，是因为它们每隔几毫秒到几秒就会发出一次非常有规律的电磁辐射，因此是非常精确的计时器。

这项研究背后的天文学家、圣母大学的约翰-洛塞克教授最近在赫尔大学举行的国家天文学会议上介绍了他的研究成果。

"地球上有原子钟，太空中有脉冲星。虽然人们知道引力能使光速减慢已经有一个多世纪了，但迄今为止应用还很少"。

这幅图像显示的是一颗中子星的艺术家印象图，它周围环绕着强磁场（蓝色）。它在磁极上方发出一束狭窄的无线电波（洋红色）。当恒星的自转将这些波束扫过地球时，中子星就能作为射电脉冲星被探测到。资料来源：NASA Goddard/Walt Feimer

观测脉冲星时间的变化

LoSecco 教授观察到脉冲星时间的变化和延迟，这表明无线电波束是围绕着脉冲星和望远镜之间某个看不见的质量集中点传播的。他认为这些看不见的质量是暗物质天体的候选者。

他研究了射电脉冲到达时间的延迟，其精度通常为纳秒级。他沿着帕克斯脉冲星定时阵列发布的 PPTA2 勘测数据中的射电脉冲路径进行了搜索。

这个正在进行的项目利用七个不同射电望远镜的数据对脉冲到达时间进行精确测量：埃菲尔斯贝格、南赛、韦斯特博克、绿岸、阿雷西博、帕克斯和洛弗尔（后者位于柴郡）。

脉冲在三个观测波段中的频率约为三周。

显示脉冲星随时间变化的几何图形。观察者看到的暗物质余弦。Z 轴从观察者到脉冲星（左侧的点）。最接近点是 X 轴上的距离 D。Y 坐标沿质量浓度的投影速度向上。沿 Y 轴的位移取为 V t。质量浓度位于（D,Vt）处的平面上。资料来源：John LoSecco

暗物质导致的到达时间偏差

暗物质导致的到达时间偏差具有明确的形状，其大小与暗物质的质量成正比。

光线经过暗物质区域附近时，会因暗物质的存在而变慢。对 65 颗"毫秒脉冲星"的精确数据进行搜索后发现，大约有十几个脉冲星似乎与暗物质发生了相互作用。

LoSecco 教授说："我们利用了地球在运动、太阳在运动、脉冲星在运动，甚至暗物质也在运动这一事实。我们观测到的质量与我们的'时钟'脉冲星视线之间的距离变化所导致的到达时间偏差"。

太阳大小的质量可以产生约 10 微秒的延迟了，观测分辨率为纳秒级，比这小一万倍。其中一项发现表明，太阳质量的大约 20% 发生了扭曲。这个天体可能是暗物质的候选者。

改进脉冲星定时数据样本

他还证实，这项研究的一个副作用是改进了脉冲星定时数据样本。收集这一精确样本是为了寻找低频引力辐射的证据。

暗物质天体会给数据带来"噪音"，因此识别并移除暗物质天体将清除样本中的一些变异性，从而在其他引力辐射搜索中消除这些噪音。

"暗物质的真正性质是一个谜，"LoSecco 教授说。"这项研究为我们揭示了暗物质的性质及其在银河系中的分布情况，也可能提高精确脉冲星数据的准确性。"

编译自/ScitechDaily