Западные физики предложили использовать спутниковые навигационные системы для того, чтобы обнаружить, наконец, таинственную темную материю и подтвердить теорию о «дефектах» пространства-времени.
Природа темной материи ускользает от ученых с самого ее обнаружения в 1930-х годах. В то время выяснилось, что звезды в нашей галактике движутся не так, как должны, если учитывать влияние только видимой, или барионной материи, из которой состоят звезды, планеты и мы с вами.
Чтобы объяснить это несоответствие, в астрофизику ввели понятие темной материи – то есть скрытой массы, наблюдать которую возможно только по косвенным проявлениям вроде гравитационного влияния на небесные тела.
На самом деле гравитация – это единственная форма взаимодействия темной материи с обычным веществом. На первый взгляд это может показаться чем-то несущественным – ну и что, подумаешь, невидимая масса, которая почти никак с нашим миром не соприкасается.
Однако при ближайшем рассмотрении оказывается, что темная материя составляет 26,8% массы-энергии Вселенной. Другими словами, влияние такой внушительной доли вселенского «пирога» представляется огромным, что мы и наблюдаем по внутренней динамике галактик, львиную долю которых, как показали исследования, составляет как раз невидимая и загадочная темная материя. Возникает закономерный вопрос: из чего состоит сама темная материя, и как ее можно обнаружить?
Темные частицы
Со времен первых косвенных наблюдений темной материи появилось множество гипотез о том, что же она из себя представляет. К примеру, в наиболее популярной космологической модели Вселенной – Стандартной модели – присутствует строгая классификация всей материи и энергии на элементарные частицы. Соответственно, и темная материя в рамках этой модели должна состоять из определенных частиц.
На роль кандидатов темной материи предлагались как уже обнаруженные частицы (легкие и тяжелые нейтрино), так и гипотетические, которые очень активно пытаются найти, правда, пока безуспешно. Это, к примеру, аксионы и вимпы. Кандидаты на аксионы, кстати, недавно были косвенно зафиксированы в магнитосфере Земли, но это еще нужно подтвердить.
Стоит упомянуть, что темная материя вовсе не обязательно должна состоять лишь из определенного вида элементарных частиц. Очень возможно, что у нее много компонентов, а не один.
Вселенские дефекты
Максим Поспелов и Андрей Деревянко, канадский и американский физики российского происхождения, предлагают выйти за рамки Стандартной модели и проверить более экзотическую теоретическую модель.
В своей статье, опубликованной в журнале Nature Physics, ученые говорят о так называемой топологической темной материи. Под топологией здесь имеется в виду энергия вакуума в виде определенного поля, рассредоточенного по Вселенной. Теория гласит, что с неравномерным развитием этого поля в нем появлялись энергетические неоднородности, которые затем сталкивались друг с другом и образовывали «топологические дефекты» – экзотические области пространства с нестандартными характеристиками.
Ранее уже проводились исследования, в которых высказывались предположения о том, что такие топологические дефекты обладают значительной энергией (а значит, и массой), что делает их привлекательными кандидатами на роль компонента темной материи.
Окончивший МФТИ Поспелов, работающий сейчас в Университете Виктории, вместе с выпускником Новосибирского государственного университета Деревянко из Университета Невады предложили любопытный способ проверить существование топологических дефектов.
Для этого не потребуется строить сверхдорогую лабораторию или запускать детекторы в космос. Все, что нужно для эксперимента, уже функционирует на орбите Земли. Речь идет о спутниках глобальных навигационных систем – GPS и ГЛОНАСС.
Дело в том, что на этих спутниках установлены точнейшие научные инструменты из когда-либо созданных человеком – атомные часы. Причем часы в каждой позиционной системе практически идеально синхронизированы друг с другом, а их отставание (вернее, у лучших аналогов на Земле) равно 1 секунде за 14 млрд лет.
По мнению физиков, невидимые топологические дефекты, проходящие сквозь тот или иной спутник, должны замедлять или ускорять ход атомных часов на его борту. Это связано с тем, что, согласно теории, топологические дефекты, проходя через обычное вещество, должны влиять на величины основных фундаментальных взаимодействий внутри него. Для нас, биологических существ, это может абсолютно ничего не значить, никто этого просто не заметит – слишком ничтожны перемены. Но атомные часы достаточной мощности должны все же зафиксировать изменения.
Хроника аномалий
Работать это должно так. Земля вместе с Солнцем вращается вокруг центра Галактики со скоростью того же Солнца – примерно 300 км/с. Значит, примерно с такой же скоростью искусственные спутники Земли должны проноситься сквозь неподвижные сгустки темной материи, с которыми Солнечная система встречается на своем пути.
Сначала темную материю в виде топологического дефекта должен зафиксировать космический аппарат на одной стороне Земли: атомные часы должны немного отклониться от стандартной скорости. Затем топологический дефект, если повезет, может пройти через спутник на противоположной стороне Земли.
Зная относительную скорость темной материи (ученые отмечают, что в Солнечной системе ничто больше не может двигаться с такой скоростью) и расстояние между спутниками, можно по временному интервалу между регистрацией аномалий определить, какие из них соответствуют топологическому дефекту темной материи.
Ключевой вопрос состоит в том, насколько сильно способен повлиять дефект на атомные часы. Чтобы оборудование на борту спутников GPS зарегистрировало аномалию, потребуется задержка или ускорение хода часов минимум на 1 наносекунду. Если воздействие темной материи не столь велико, то никаких удовлетворительных результатов получено не будет.
Все данные для эксперимента, впрочем, уже доступны – историю хода и рассинхронизации атомных часов на спутниках GPS осталось лишь обработать должным образом. Работы в этом направлении, по словам ученых, уже ведутся.
