Космический шепот аксионов: галактические магнитные поля помогают искать темную материю
Во Вселенной скрыто гораздо больше, чем мы можем увидеть. Около 80% ее массы составляет загадочная темная материя — невидимая субстанция, которая не испускает, не поглощает и не отражает свет, но чье гравитационное влияние удерживает галактики от распада. Ученые десятилетиями пытаются разгадать ее природу, и одна из самых интригующих гипотез связана с аксионами — гипотетическими частицами, которые могут быть ключом к этой тайне.
Физики из Копенгагенского университета совершили важный шаг в этом поиске, используя неожиданный инструмент — гигантские магнитные поля скоплений галактик. Эти колоссальные структуры, в квадриллионы раз массивнее Солнца, стали естественными лабораториями для поиска частиц, которые в миллиарды раз легче атомов. Результаты исследования, опубликованные в Nature Astronomy, содержат намек на сигнал, который может принадлежать аксиону.
От гипотезы к космическому эксперименту
Аксионы были предложены в 1970-х годах как решение проблемы симметрии в квантовой хромодинамике, но вскоре стало ясно, что они могут быть идеальными кандидатами на роль темной материи. Однако их поиск оказался невероятно сложным: они почти не взаимодействуют с обычной материей, а их масса предположительно крайне мала.
Традиционные методы, такие как эксперименты в ускорителях частиц (например, в ЦЕРНе), пока не принесли успеха. Поэтому команда из Копенгагена решила использовать саму Вселенную как детектор. Они сосредоточились на активных ядрах галактик — сверхмассивных черных дырах, испускающих мощное электромагнитное излучение.
Как магнитные поля скоплений галактик помогают в поиске
Когда излучение от далеких черных дыр проходит через скопления галактик, оно попадает в зону действия их мощных магнитных полей. Согласно теории, в таких условиях часть фотонов может превращаться в аксионы, а затем — обратно в фотоны. Этот процесс должен оставлять слабые, но характерные следы в данных наблюдений.
Проблема в том, что сигнал от одного источника слишком слаб, чтобы его выделить из фонового шума. Поэтому ученые объединили данные по 32 сверхмассивным черным дырам, расположенным за скоплениями галактик. Анализ показал неожиданную закономерность — ступенчатый узор, который может соответствовать предсказанному эффекту преобразования фотонов в аксионы.
Хотя обнаруженный сигнал пока нельзя считать окончательным доказательством существования аксионов, он сужает область их поиска. Как объясняет Лидия Задорожная, один из ведущих авторов исследования, метод позволяет исключить целые диапазоны параметров, в которых аксион точно не находится.
Кроме того, этот подход можно применять к разным типам излучения — не только гамма-лучам, но и рентгеновским лучам, что открывает новые возможности для будущих экспериментов.
Шаг к разгадке величайшей тайны Вселенной
Если аксионы действительно существуют, их открытие станет революцией в физике. Они не только объяснят природу темной материи, но и помогут решить фундаментальные вопросы квантовой теории.
Пока же ученые называют полученные данные «космическим шепотом» — слабым, но многообещающим намеком на то, что человечество приближается к разгадке одной из самых больших тайн мироздания. И, возможно, вскоре этот шепот превратится в ясный голос, который расскажет нам, из чего на самом деле состоит Вселенная.