パルサータイミングアレイを用いて超軽量ダークマターを制約(Astronomers Constrain Ultralight Dark Matter with Pulsar Timing Arrays)

2026-07-16 中国科学院(CAS)

中国科学院(CAS)上海天文台(SHAO)を中心とする研究チームは、パルサータイミングアレイ(PTA)の観測データを用いて、超軽量ダークマター(ULDM)の存在をこれまで以上に厳しく制限した。研究ではParkes PTA第3次データ(PPTA DR3)とEuropean PTA第2次データ(EPTA DR2)を解析し、パルサーまでの距離や地球とパルサー間のダークマター密度差を考慮した高精度モデルを導入した。超軽量スカラー暗黒物質による重力効果と、ダークフォトン暗黒物質が生む「第五の力」の両方を探索したが、有意な信号は検出されなかった。その結果、両モデルのパラメータ空間に対して厳しい制約を設定し、超軽量スカラー暗黒物質の制約は局所的なダークマター密度に迫る水準に達した。また、ダークフォトンでは結合強度の上限が重力起源の信号と区別しにくい領域に達しており、今後は地球とパルサー間のダークマター密度揺らぎの相関を利用した解析が重要になると示された。本研究は、PTAがナノヘルツ重力波観測だけでなく、ダークマター探索の有力な観測手法であることを示した。

パルサータイミングアレイを用いて超軽量ダークマターを制約(Astronomers Constrain Ultralight Dark Matter with Pulsar Timing Arrays)
Artistic rendering of pulsar timing array probing ultralight dark matter. (Image by SHAO)

<関連情報>

PPTA DR3およびEPTA DR2による超軽量スカラーおよびダークフォトン暗黒物質に対する制約 Constraints on ultralight scalar and dark photon dark matter from PPTA DR3 and EPTA DR2

Xiao-Song Hu, Siyuan Chen, Kuo Liu, Xingjiang Zhu, Shi-Yi Zhao, Wu Jiang, John Antoniadis, N. D. Ramesh Bhat, Amodio Carleo et al.
Physical Review D  Published: 8 June, 2026
DOI: https://doi.org/10.1103/wff3-b1fs

Abstract

The cold dark matter model successfully describes the Universe on large scales, yet faces challenges at subgalactic scales. Ultralight dark matter (ULDM), with particle masses around 10−22  eV, offers a promising solution to these small-scale issues. Pulsar timing arrays (PTAs), designed to detect nanohertz gravitational waves, can also provide a sensitive probe for ULDM signals. In this work, we perform a Bayesian search for ULDM using PTA datasets, focusing on two types of signals: the oscillatory gravitational potential from scalar ULDM and the fifth-force interaction mediated by dark photon dark matter (DPDM). We incorporate pulsar distances in the analysis to better model the ULDM density. No statistically significant evidence for ULDM has been found; therefore, we place 95% confidence level upper limits on the relevant parameters. For scalar ULDM, our analysis does not exclude the scenario in which ULDM constitutes all of dark matter. The constraints from PPTA-DR3 show significant improvements over the earlier PPTA-DR2 (2018 Preview) across most of the mass range, and are consistent with the recent uncorrelated limits from other PTAs. We also present for the first time the DPDM constraints using EPTA data. The obtained bounds on the DPDM from the EPTA-DR2 and PPTA-DR3 are comparable to existing constraints.

1701物理及び化学
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