Physical Review Letters: Астрофизики открыли новый способ поиска темной материи

Главный вопрос в продолжающихся поисках темной материи — из чего она состоит? Один из возможных ответов заключается в том, что темная материя состоит из частиц, известных как аксионы.

Группа астрофизиков под руководством исследователей из университетов Амстердама и Принстона показала, что если темная материя состоит из аксионов, то она может проявлять себя в виде едва заметного дополнительного свечения, исходящего от пульсирующих звезд.

Темная материя, возможно, является самой искомой составляющей нашей Вселенной. Удивительно, но предполагается, что эта загадочная форма материи, которую физики и астрономы до сих пор не смогли обнаружить, составляет огромную часть того, что существует. Предполагается, что не менее 85% материи во Вселенной является «темной», которая в настоящее время заметна только по гравитационному притяжению, оказываемому ею на другие астрономические объекты. Понятно, что ученые хотят большего. Они хотят действительно увидеть темную материю — или, по крайней мере, непосредственно обнаружить ее присутствие, а не просто сделать вывод о ней на основе гравитационных эффектов. И, конечно же, они хотят знать, что это такое.

Устранение двух проблем

Ясно одно: темная материя не может быть такой же материей, из которой состоим мы с вами. Если бы это было так, то темная материя просто вела бы себя как обычная — образовывала бы объекты типа звезд, светилась и перестала бы быть «темной». Поэтому ученые ищут нечто новое — тип частиц, который пока никто не обнаружил и который, вероятно, очень слабо взаимодействует с известными нам типами частиц, что объясняет, почему эта составляющая нашего мира до сих пор оставалась неуловимой.

Есть много подсказок, где искать. Одно из популярных предположений состоит в том, что темная материя может состоять из аксионов. Этот гипотетический тип частиц был впервые представлен в 1970-х годах для решения проблемы, не имеющей отношения к темной материи. Оказалось, что разделение положительных и отрицательных зарядов внутри нейтрона, одного из строительных блоков обычных атомов, неожиданно мало. Ученые, конечно, захотели узнать, почему. Оказалось, что именно такой эффект может вызывать присутствие до сих пор не обнаруженного типа частиц, очень слабо взаимодействующих с составными частями нейтрона. Позднее нобелевский лауреат Фрэнк Вильчек придумал название для новой частицы: аксион — не только по аналогии с другими названиями частиц, такими как протон, нейтрон, электрон и фотон, но и по мотивам одноименного стирального порошка. Аксион был создан для того, чтобы устранить проблему.

На самом деле, несмотря на то, что он так и не был обнаружен, он может устранить две. Несколько теорий элементарных частиц, включая теорию струн, одну из ведущих теорий-кандидатов на объединение всех сил в природе, как оказалось, предсказывают возможность существования аксионоподобных частиц. Если аксионы действительно существуют, могут ли они также составлять часть или даже всю недостающую темную материю? Возможно, но дополнительный вопрос, который преследует все исследования темной материи, в равной степени относится и к аксионам: если это так, то как мы можем их увидеть? Как сделать что-то  «темное» видимым?

Свет на темную материю

К счастью, похоже, что для аксионов можно найти выход из этой головоломки. Если теории, предсказывающие аксионы, верны, то ожидается, что они не только будут массово производиться во Вселенной, но и некоторые аксионы смогут превращаться в свет в присутствии сильных электромагнитных полей. Как только появляется свет, мы можем видеть. Может ли это быть ключом к обнаружению аксионов — а значит, и к обнаружению темной материи?

Чтобы ответить на этот вопрос, ученые сначала задались вопросом, где во Вселенной существуют самые сильные из известных электрических и магнитных полей. Ответ: в областях, окружающих вращающиеся нейтронные звезды, известные также как пульсары. Пульсары — сокращение от «пульсирующие звезды» — представляют собой плотные объекты, масса которых примерно такая же, как у нашего Солнца, но радиус в 100 000 раз меньше, всего около 10 км. Будучи такими маленькими, пульсары вращаются с огромной частотой, испуская яркие узкие лучи радиоизлучения вдоль оси вращения. Подобно маяку, лучи пульсара могут проноситься над Землей, делая пульсирующую звезду легко наблюдаемой.

Однако огромное вращение пульсара делает нечто большее. Он превращает нейтронную звезду в чрезвычайно сильный электромагнит. Это, в свою очередь, может означать, что пульсары являются очень эффективными аксионными фабриками. Каждую секунду средний пульсар способен производить 50-значное число аксионов. Из-за сильного электромагнитного поля вокруг пульсара часть этих аксионов может превратиться в наблюдаемый свет. То есть: если аксионы вообще существуют — но теперь механизм может быть использован для ответа именно на этот вопрос. Достаточно взглянуть на пульсары, посмотреть, излучают ли они дополнительный свет, и если да, то определить, может ли этот дополнительный свет исходить от аксионов.

Моделирование тонкого свечения

Как всегда в науке, провести такое наблюдение на практике, конечно, не так просто. Свет, излучаемый аксионами, который можно обнаружить в виде радиоволн, будет составлять лишь малую часть всего света, который посылают нам эти яркие космические маяки. Нужно очень точно знать, как выглядел бы пульсар без аксионов и как выглядел бы пульсар с аксионами, чтобы увидеть разницу, не говоря уже о том, чтобы количественно оценить эту разницу и превратить ее в измерение количества темной материи.

Именно это и удалось сделать группе физиков и астрономов. Совместными усилиями ученых из Нидерландов, Португалии и США была построена всеобъемлющая теоретическая схема, позволяющая детально понять, как образуются аксионы, как аксионы ускользают от гравитационного притяжения нейтронной звезды и как во время своего бегства они превращаются в низкоэнергетическое радиоизлучение.

Полученные теоретические результаты были затем перенесены на компьютер для моделирования образования аксионов вокруг пульсаров с помощью современных численных симуляторов плазмы, которые изначально были разработаны для понимания физики излучения радиоволн пульсарами. После виртуального образования аксионов было смоделировано их распространение через электромагнитные поля нейтронной звезды. Это позволило исследователям количественно понять последующее производство радиоволн и смоделировать, как этот процесс обеспечит дополнительный радиосигнал к собственному излучению, генерируемому самим пульсаром.

Испытание аксионных моделей

Затем результаты теории и моделирования были подвергнуты первой наблюдательной проверке. Используя наблюдения 27 близлежащих пульсаров, исследователи сравнили наблюдаемые радиоволны с моделями, чтобы выяснить, может ли какое-либо измеренное превышение служить доказательством существования аксионов. К сожалению, ответ был «нет» — или, возможно, более оптимистично: „пока нет“. Аксионы не сразу бросаются в глаза, но, возможно, этого и не следовало ожидать. Если бы темная материя так легко выдавала свои секреты, ее бы уже давно наблюдали.

Поэтому надежда на то, что аксионы удастся обнаружить, возлагается на будущие наблюдения. Между тем нынешнее ненаблюдение радиосигналов от аксионов само по себе является интересным результатом. Первое сравнение моделирования и реальных пульсаров позволило установить самые строгие на сегодняшний день ограничения на взаимодействие аксионов со светом.

Конечно, конечная цель состоит не только в том, чтобы установить ограничения, но и в том, чтобы либо показать, что аксионы существуют, либо убедиться, что вероятность того, что аксионы вообще являются составной частью темной материи, крайне мала. Полученные результаты — лишь первый шаг в этом направлении; это только начало того, что может стать совершенно новой междисциплинарной областью, способной значительно продвинуть поиск аксионов.

06.10.2023


Подписаться в Telegram



Космос

ESA: Первые снимки Евклида показали миллиарды осиротевших звезд
ESA: Первые снимки Евклида показали миллиарды осиротевших звезд

Первые научные снимки, сделанные спутником Euc...

Nature Astronomy: Открыта планета с плотностью сахарной ваты
Nature Astronomy: Открыта планета с плотностью сахарной ваты

Международная команда под руководством ис...

Nature: Исследование объяснит, почему на Венере нет воды
Nature: Исследование объяснит, почему на Венере нет воды

Ученые-планетологи из Университета Колора...

EGU: 41 000 лет назад атмосферу Земли пронзили космические лучи
EGU: 41 000 лет назад атмосферу Земли пронзили космические лучи

Магнитное поле Земли защищает нашу планету от&...

«Литнет» выяснил, что привлекает читателей в книгах о космосе
«Литнет» выяснил, что привлекает читателей в книгах о космосе

Тайны Вселенной не перестают привлекать л...

Освоение космоса: остановить нельзя развивать
Освоение космоса: остановить нельзя развивать

За последнее десятилетие человечество стало св...

ALMA обнаружил тень квазара, который застал Вселенную моложе миллиарда лет
ALMA обнаружил тень квазара, который застал Вселенную моложе миллиарда лет

Теоретические предсказания подтвердились благо...

Планета размером с Землю обнаружена на «заднем дворе» нашего Солнца
Планета размером с Землю обнаружена на «заднем дворе» нашего Солнца

Группа астрономов обнаружила планету, которая ...

MNRAS: Раскрыты секреты "горячего Сатурна" и его пятнистой звезды
MNRAS: Раскрыты секреты "горячего Сатурна" и его пятнистой звезды

Группа астрономов под руководством ученых...

Science Advances: Открыт загадочный компонент кислотных облаков Венеры
Science Advances: Открыт загадочный компонент кислотных облаков Венеры

Из чего состоят облака Венеры? Ученые знают, ч...

MNRAS: Нептун и Уран действительно похожи
MNRAS: Нептун и Уран действительно похожи

Нептун известен как насыщенный голубой, а...

Nature Geoscience: Ученые возвестили начало лунного антропоцена
Nature Geoscience: Ученые возвестили начало лунного антропоцена

Впервые люди потревожили лунную пыль 13 сентяб...

PNAS: Есть ли признаки жизни на холодной луне Сатурна?
PNAS: Есть ли признаки жизни на холодной луне Сатурна?

По мере развития астрофизических технологий и&...

Nature: Водород в лунных образцах дает новую надежду на освоение космоса
Nature: Водород в лунных образцах дает новую надежду на освоение космоса

Исследователи Военно-морской исследовательской...

NASA: Уэбб обнаружил новые объекты в центре Млечного Пути
NASA: Уэбб обнаружил новые объекты в центре Млечного Пути

На последнем снимке космического телескопа НАС...

Nature Synthesis: Иммиграция на Марс становится реальнее
Nature Synthesis: Иммиграция на Марс становится реальнее

Иммиграция на Марс и жизнь на н...

На космической рождественской елке нашли 14 транзитных объектов
На космической рождественской елке нашли 14 транзитных объектов

Международная группа ученых под руководст...

The Astrophysical Journal: Богатые газом галактики зажгли раннюю Вселенную
The Astrophysical Journal: Богатые газом галактики зажгли раннюю Вселенную

Новые изображения, полученные с помощью к...

Ракета НАСА увидит раскаленный край звездообразующей сверхновой
Ракета НАСА увидит раскаленный край звездообразующей сверхновой

Новая зондирующая ракета отправится в кос...

Поиск на сайте

Знатоки клуба инноваций


ТОП - Новости мира, инновации

ESA: Первые снимки Евклида показали миллиарды осиротевших звезд
ESA: Первые снимки Евклида показали миллиарды осиротевших звезд
Heliyon: Ученые нашли виновника тяжелых отравлений благодаря новому методу ПЦР
Heliyon: Ученые нашли виновника тяжелых отравлений благодаря новому методу ПЦР
Energy Materials and Devices: Создан тандемный солнечный элемент с КПД более 20%
Energy Materials and Devices: Создан тандемный солнечный элемент с КПД более 20%
Child Development: Отношения с матерью влияют на умение дружить и растить детей
Child Development: Отношения с матерью влияют на умение дружить и растить детей
EMBO Reports: Растения-однолюбы находят одного партнера на всю жизнь
EMBO Reports: Растения-однолюбы находят одного партнера на всю жизнь
New Media & Society: Геймеры находят оправдание смурфингу, хотя он их и бесит
New Media & Society: Геймеры находят оправдание смурфингу, хотя он их и бесит
Nature Neuroscience: Ученые доказали, что терпение приносит свои плоды
Nature Neuroscience: Ученые доказали, что терпение приносит свои плоды
Познакомьтесь со странной амфибией, которая выкармливает своих детенышей молоком
Познакомьтесь со странной амфибией, которая выкармливает своих детенышей молоком
Climate Dynamics: Вот как условия на суше влияют на муссонный климат Азии
Climate Dynamics: Вот как условия на суше влияют на муссонный климат Азии
В 40% случаев люди ошибочно называют сгенерированное фото человека реальным
В 40% случаев люди ошибочно называют сгенерированное фото человека реальным
Nature Communications: Открыто революционное явление в жидких кристаллах
Nature Communications: Открыто революционное явление в жидких кристаллах
Current Biology: Исследование брачного поведения показывает эволюцию влечения
Current Biology: Исследование брачного поведения показывает эволюцию влечения
BioDesign Research: Для производства каротиноидов разработали специальные дрожжи
BioDesign Research: Для производства каротиноидов разработали специальные дрожжи
Nature Communications: В мигрирующих нейронах найден конус роста
Nature Communications: В мигрирующих нейронах найден конус роста
Scientific Reports: Реакция на происходящее влияет на понимание будущих событий
Scientific Reports: Реакция на происходящее влияет на понимание будущих событий

Новости компаний, релизы

Физики СПбГУ и Института проблем машиноведения РАН улучшили ударопрочные характеристики нержавеющей стали
КВЗ принимает заявки на целевое обучение в проект «Крылья Ростеха»
Ученые СПбГУ смоделировали сценарии появления таликов в вечной мерзлоте Антарктиды
Треть работодателей тратят на адаптацию одного нового сотрудника до 100 тысяч рублей
Палеонтолог СПбГУ описал новый вид динозавров-бегунов из Кемеровской области