Hur snabbt glider den mörka materien nära jorden runt? Den mörka materiens hastighet har långtgående konsekvenser för modern astrofysisk forskning, men denna grundläggande egenskap har gäckat forskare i flera år.

I en artikel publicerad 22 januari i tidskriften Fysiska granskningsbrev , ett internationellt team av astrofysiker gav den första ledtråden:Lösningen på detta mysterium, det visar sig, ligger bland några av de äldsta stjärnorna i galaxen.

"Väsentligen, dessa gamla stjärnor fungerar som synliga hastighetsmätare för den osynliga mörka materien, mäter dess hastighetsfördelning nära jorden, sa Mariangela Lisanti, en biträdande professor i fysik vid Princeton University. "Du kan tänka på de äldsta stjärnorna som ett lysande spår för den mörka materien. Den mörka materien i sig kommer vi aldrig att se, eftersom det inte avger ljus i någon observerbar grad – det är bara osynligt för oss, Det är därför det har varit så svårt att säga något konkret om det."

För att avgöra vilka stjärnor som beter sig som de osynliga och oupptäckbara partiklarna av mörk materia, Lisanti och hennes kollegor vände sig till en datorsimulering, Eris, som använder superdatorer för att replikera Vintergatans galaxens fysik, inklusive mörk materia.

"Vår hypotes var att det finns någon delmängd av stjärnor som av någon anledning, kommer att matcha den mörka materiens rörelser, sade Jonah Herzog-Arbeitman, en grundexamen och en medförfattare på tidningen. Hans arbete med Lisanti och hennes kollegor sommaren efter hans första år på Princeton förvandlades till en av hans juniortidningar och bidrog till denna tidskriftsartikel.

Herzog-Arbeitman och Lina Necib vid California Institute of Technology, en annan medförfattare på tidningen, genererade många plotter från Eris-data som jämförde olika egenskaper hos mörk materia med egenskaper hos olika undergrupper av stjärnor.

Deras stora genombrott kom när de jämförde hastigheten för mörk materia med den för stjärnor med olika "metalliciteter, " eller förhållandet mellan tungmetaller och lättare grundämnen.

Kurvan som representerar mörk materia matchade vackert med stjärnorna som har minst tungmetaller:"Vi såg allt i linje, sa Lisanti.

"Det var ett av de där fantastiska exemplen på en ganska rimlig idé som fungerade ganska bra, " sa Herzog-Arbeitman.

Astronomer har vetat i decennier att metallicitet kan fungera som en proxy för en stjärnas ålder, eftersom metaller och andra tunga grundämnen bildas i supernovor och sammanslagningar av neutronstjärnor. De små galaxerna som smälte samman med Vintergatan har vanligtvis jämförelsevis mindre av dessa tunga grundämnen.

I efterhand, korrelationen mellan mörk materia och de äldsta stjärnorna borde inte vara förvånande, sa Necib. "Den mörka materian och dessa gamla stjärnor har samma initiala förutsättningar:de började på samma plats och de har samma egenskaper ... så i slutet av dagen, det är vettigt att de båda påverkas endast genom gravitationen, " Hon sa.

Varför det spelar roll

Sedan 2009, forskare har försökt observera mörk materia direkt, genom att lägga mycket tätt material – ofta xenon – djupt under jorden och vänta på att den mörka materien som strömmar genom planeten ska interagera med den.

Lisanti jämförde dessa experiment med "direkt detektering" med ett spel biljard:"När en partikel av mörk materia sprider en kärna i en atom, kollisionen liknar två biljardbollar som träffar varandra. Om den mörka materiepartikeln är mycket mindre massiv än kärnan, då kommer inte kärnan att röra sig mycket efter kollisionen, vilket gör det väldigt svårt att märka att något hände."

Det är därför det är så viktigt att begränsa hastigheten för mörk materia, hon förklarade. Om mörk materia partiklar är både långsamma och lätta, de kanske inte har tillräckligt med kinetisk energi för att flytta de nukleära "biljardbollarna" alls, även om de smäller rakt in i en.

"Men om den mörka materien kommer in, rör sig snabbare, det kommer att ha mer kinetisk energi. Det kan öka chansen att i den kollisionen, kärnans rekyl kommer att bli större, så att du skulle kunna se det, sa Lisanti.

Ursprungligen, forskare hade förväntat sig att se tillräckligt med partikelinteraktioner – tillräckligt många biljardbollar i rörelse – för att kunna härleda massan och hastigheten hos partiklarna av mörk materia. Men, Lisanti sa, "vi har inte sett något ännu."

Så istället för att använda interaktionerna för att bestämma hastigheten, forskare som Lisanti och hennes kollegor hoppas kunna vända manuset, och använd hastigheten för att förklara varför direktdetekteringsexperimenten inte har upptäckt något ännu.

Misslyckandet - åtminstone hittills - av experimenten med direktdetektering leder till två frågor, sa Lisanti. "Hur ska jag någonsin ta reda på hastigheten på dessa saker?" och "Har vi inte sett något eftersom det är något annat i hastighetsfördelningen än vad vi förväntade oss?"

Att ha ett helt oberoende sätt att räkna ut hastigheten på mörk materia kan hjälpa till att kasta ljus över det, Hon sa. Men hittills, det är bara teoretiskt. Den verkliga astronomi har inte hunnit ikapp den mängd data som producerats av Eris-simuleringen, så Lisanti och hennes kollegor vet ännu inte hur snabbt vår galaxs äldsta stjärnor rör sig.

Lyckligtvis, den informationen samlas just nu av Europeiska rymdorganisationens Gaia-teleskop, som har skannat Vintergatan sedan juli 2014. Hittills har information om endast en liten delmängd av stjärnor har släppts, men hela datasetet kommer att innehålla mycket mer data om nästan en miljard stjärnor.

"Rikdomen av data vid horisonten från nuvarande och kommande stjärnundersökningar kommer att ge en unik möjlighet att förstå denna grundläggande egenskap hos mörk materia, sa Lisanti.