近日，中国科学院上海天文台刘阔研究员、陈偲源副研究员与北京师范大学朱兴江教授团队，利用脉冲星计时阵（PTA）在检验暗物质方面取得重要进展，相关研究成果发表于物理学期刊《Physical Review D》（物理评论D）。

脉冲星计时阵艺术效果图（图片来源：OzGrav）

暗物质约占宇宙总质能的27%，其粒子本质是当今基础物理学最重大的谜题之一。传统的冷暗物质模型在解释宇宙大尺度结构方面取得了广泛成功，但在星系尺度上却面临着“核-尖峰问题”（core-cusp problem）、“失踪卫星星系问题”（missing satellite problem）和“大而不能倒问题”（too big to fail problem）等难题。超轻暗物质（也称模糊暗物质）正是试图解决这些问题的一种粒子物理方案。此类暗物质粒子的质量典型值约为10^-22 eV，其德布罗意波长可达星系尺度，因此在星系尺度上会表现出波动效应。

脉冲星计时阵通过长期对数十颗毫秒脉冲星进行超高精度的计时观测，构成一台银河系尺度的探测器，其首要目标是捕捉纳赫兹引力波背景。超轻暗物质的波动性同样可能在脉冲星计时残差中留下印记。其信号一般通过两种途径显现：引力效应和相互作用。例如，超轻标量暗物质通过引力效应引起时空度规的振荡，给脉冲信号带来额外的引力时延；暗光子暗物质则与普通物质耦合，产生等效的“第五种力”，通过多普勒效应扰动信号到达时间。

研究团队利用“帕克斯脉冲星计时阵”第三批数据（PPTA DR3）和“欧洲脉冲星计时阵”第二批数据（EPTA DR2），在分析中考虑了地球与脉冲星两端暗物质密度的差异，并引入脉冲星距离信息，对标量超轻暗物质的引力信号和暗光子暗物质的“第五种力”信号进行了搜寻。分析结果显示，数据中并未发现这两类暗物质的显著信号，研究团队据此对暗物质模型的参数空间给出了严格的限制（见图1和图2）。

图1： 基于PPTA DR3（红色）和EPTA DR2（绿色）数据给出的标量超轻暗物质参数上限。左图为对本地暗物质密度的限制，右图为对无量纲振荡振幅的限制。实线和虚线分别对应非关联与关联情形。紫色点线表示假设本地暗物质密度为0.4 GeV/cm³时的参考值。

图2：基于PPTA DR3（红色）和EPTA DR2（绿色）数据给出的暗光子耦合强度限制。左图为U(1)_B相互作用，右图为U(1)_B−L相互作用。黑色点线和灰色阴影区域标示出引力效应超过第五种力耦合的参数空间，该划分基于一个简化假设，即矢量超轻暗物质产生的引力振荡强度为标量超轻暗物质的三倍。

该研究显示，脉冲星计时阵对超轻标量暗物质的限制已逼近本地暗物质密度，使该类模型面临严峻挑战。对暗光子暗物质而言，其耦合强度的限制也已触及其自身波动所对应的引力信号，即引力势振荡产生的时间延迟。这使得耦合信号与引力信号趋于混叠，难以分辨。未来要进一步搜寻暗物质信号，须利用地球与脉冲星两端暗物质密度涨落的关联来分辨引力信号。

这项成果不仅拓展了脉冲星计时阵的科学应用边界，也为超轻暗物质的理论与实验探索树立了新的约束基准。随着未来纳赫兹引力波探测能力的持续升级，人类将持续压缩暗物质模型的参数空间，为探明暗物质的本质夯实观测基础。

该研究的第一作者为北京师范大学与上海天文台联合培养的博士研究生胡小松。本研究得到了国家重点研发计划项目、中央高校基本科研业务费专项资金及北京师范大学珠海校区重大科研项目配套经费等的资助。

论文链接：https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/wff3-b1fs

科学联系人：

[1] 刘  阔，中国科学院上海天文台，liukuo@shao.ac.cn

[2] 陈偲源，中国科学院上海天文台，siyuan.chen@shao.ac.cn

[3] 朱兴江，北京师范大学，zhuxj@bnu.edu.cn