Физики используют Вселенную как гигантский ускоритель частиц в поисках темной материи
Ученые из Копенгагенского университета разработали новый метод наблюдений, используя магнитные поля скоплений галактик в качестве естественного ускорителя частиц. Это позволит приблизиться к обнаружению загадочных частиц, которые, согласно теории, могут составлять основу темной материи, до сих пор остающейся неуловимой.
Несмотря на то, что темная материя теоретически составляет около 80% массы Вселенной, ее никогда не удавалось зафиксировать напрямую. Исследователи надеются, что их работа поможет приблизиться к этой цели.
В центре нового исследования находятся аксионы — гипотетические элементарные частицы, которые, если их удастся обнаружить в определенном диапазоне малых масс, могут оказаться одним из ключевых компонентов холодной темной материи.
Естественный ускоритель частиц
Скопления галактик — самые массивные структуры во Вселенной, их вес превышает массу Солнца в квадриллион раз. Это делает их идеальным инструментом для поиска аксионов — частиц, легче одного атома.
Ученые использовали яркие и далекие галактики с активными черными дырами, изучая электромагнитное излучение, исходящее из их ядер. Они предположили, что, проходя через мощные магнитные поля скоплений галактик, это излучение может превращаться в аксионы. Согласно их расчетам, этот процесс должен оставлять характерный след — крошечные случайные колебания в данных, настолько слабые, что их легко принять за шум.
Для проверки гипотезы команда проанализировала данные о 32 сверхмассивных черных дырах, расположенных за скоплениями галактик с точки зрения земного наблюдателя.
«Мы наблюдали эти черные дыры через скопления галактик», — пояснил соавтор исследования Олег Рухайский, доцент Института Нильса Бора. «Скопления галактик — одни из крупнейших структур во Вселенной, содержащие огромные магнитные поля. Они действуют как призма, через которую часть гамма-излучения теоретически может превращаться в аксионы».
Анализ данных
К удивлению ученых, при масштабном анализе данных по всем черным дырам они обнаружили характерный паттерн, соответствующий ожидаемому сигналу от аксионов.
«Обычно сигнал от таких частиц непредсказуем и выглядит как случайный шум. Но мы поняли, что, объединив данные из множества источников, смогли преобразовать этот шум в четкий, узнаваемый паттерн», — сказал Рухайский. «Он проявляется как ступенчатый рисунок, показывающий, как может выглядеть такое преобразование. Пока это лишь намек на сигнал, но он очень интригующий. Можно сказать, мы услышали "космический шепот", который стал достаточно громким».
Хотя обнаруженный паттерн подтверждает гипотезу о существовании аксионов, до прямого обнаружения темной материи еще далеко. Тем не менее, работа значительно продвигает эмпирический поиск, сужая возможные параметры ее частиц.
Новый шаг в изучении темной материи
«Этот метод позволил нам исключить значительную область параметров, где аксион не может находиться, что сужает зону поиска», — отметила соавтор исследования Лидия Задорожная, научная сотрудница Института Нильса Бора.
Новый подход не ограничивается только гамма-излучением — он применим и к другим типам электромагнитных волн, таким как рентгеновские лучи, что открывает новые возможности для исследований.
«Мы вдохновлены тем, что это не разовое достижение. Метод позволяет выйти за пределы предыдущих экспериментальных ограничений и открывает новый путь для изучения этих неуловимых частиц», — добавила Задорожная.
Исследование в журнале Nature Astronomy.