Астрономы использовали телескоп Чандра для проверки теории струн

Астрономы использовали Чандру для проверки теории струн, возможной "теории всего", которая связала бы воедино всю известную физику.

Одной из самых больших идей в физике является возможность того, что все известные силы, частицы и взаимодействия могут быть соединены в одном каркасе. Теория струн, вероятно, является самым известным предложением для "теории всего", которая связала бы воедино наше понимание физической вселенной.

Несмотря на то, что в течение десятилетий в физическом сообществе циркулировало множество различных версий теории струн, экспериментальных испытаний было очень мало. Однако астрономы, использующие рентгеновскую обсерваторию НАСА имени Чандры, сейчас сделали значительный шаг вперед в этой области.

Исследуя скопления галактик, самые большие структуры во вселенной, удерживаемые вместе гравитацией, исследователи смогли бы найти конкретную частицу, которая, как предсказывают многие модели теории струн, должна существовать. В то время как полученное в результате не обнаружение не исключает теории струн в целом, оно наносит удар по определенным моделям в этом семействе идей.

"До недавнего времени я понятия не имел, сколько рентгеновских астрономов привносят в теорию струн, но мы могли бы сыграть важную роль", - сказал Кристофер Рейнольдс из Кембриджского университета (Великобритания), который руководил исследованием. "Если эти частицы в конце концов будут обнаружены, это навсегда изменит физику."

Частица, которую Рейнольдс и его коллеги искали, называется "аксион". Эти необнаруженные частицы должны иметь чрезвычайно малую массу. Ученые не знают точного диапазона масс, но многие теории характеризуются аксионными массами, варьирующимися от примерно миллионной части массы электрона до нулевой массы. Некоторые ученые считают, что аксионы могли бы объяснить загадку темной материи, которая составляет подавляющее большинство материи во Вселенной.

Одним из необычных свойств этих частиц сверхмалой массы было бы то, что они могут иногда преобразовываться в фотоны (то есть пакеты света), когда они проходят через магнитные поля. Верно и обратное: при определенных условиях фотоны также могут быть преобразованы в аксионы. Как часто происходит это переключение, зависит от того, насколько легко они делают это преобразование, другими словами, от их "конвертируемости".

Некоторые ученые выдвинули предположение о существовании более широкого класса сверхмалых частиц с аналогичными аксионам свойствами. Аксионы будут иметь одно значение конвертируемости при каждой массе, но “аксионоподобные частицы” будут иметь диапазон конвертируемости при той же массе.

Чтобы найти признаки конверсии аксионоподобными частицами, команда астрономов изучила в течение пяти дней наблюдения Чандрой рентгеновских лучей от материала, падающего к сверхмассивной черной дыре в центре скопления галактики Персей. Они изучили спектр Чандры, или количество рентгеновского излучения, наблюдаемого при разных энергиях этого источника. Длительное наблюдение и яркий источник рентгеновского излучения дали спектр с достаточной чувствительностью, чтобы показать искажения, которые ученые ожидали, если присутствуют частицы, подобные аксионам.

Отсутствие обнаружения таких искажений позволило исследователям исключить присутствие большинства типов аксионоподобных частиц в диапазоне масс, к которым их наблюдения были чувствительны, ниже примерно одной миллионной от миллиардной массы электрона.

"Наше исследование не исключает существования этих частиц, но определенно не помогает их делу", - сказала соавтор Хелен Рассел из Ноттингемского университета в Великобритании. "Эти ограничения вписываются в диапазон свойств, предлагаемых теорией струн, и могут помочь теоретикам струн прополоть их теории".

Последний результат оказался примерно в три-четыре раза более чувствительным, чем предыдущий лучший поиск аксионноподобных частиц, полученный по наблюдениям Чандры на супермассивной черной дыре в M87. Это исследование Персея также примерно в сто раз более мощное, чем текущие измерения, которые могут быть выполнены в лабораториях здесь на Земле для диапазона масс, которые они рассмотрели.

Очевидно, что одна из возможных интерпретаций этой работы заключается в том, что аксионноподобных частиц не существует. Другое объяснение заключается в том, что частицы имеют еще более низкие значения конвертируемости, чем предполагалось некоторыми физиками частиц. Они также могут иметь более высокие массы, чем те, которые были исследованы с помощью данных Чандры.

Статья с описанием этих результатов появилась в номере "Астрофизического журнала" от 10 февраля 2020 года. Помимо Рейнольдса, Марша и Рассела, авторами этой работы являются Эндрю К. Фабиан, также из Кембриджского университета, Робин Смит из Университета Мэриленда в Колледж-Парке, Мэриленд, Франческо Томбези из Римского университета, Италия, и Сильвен Вейе, также из Университета Мэриленда.