Астрофизик из Университета Колорадо в Боулдере ищет в свете, исходящем от далекого и чрезвычайно мощного небесного объекта, то, что может быть самой неуловимой субстанцией во Вселенной: темную материю.
В двух недавних исследованиях Джереми Дарлинг, профессор кафедры астрофизических и планетарных наук, глубоко изучил PSR J1745-2900. Это тело-Магнетар, или тип коллапсировавшей звезды, которая генерирует невероятно сильное магнитное поле.
“Это лучший природный детектор темной материи, о котором мы знаем”, - сказал Дарлинг, также из центра астрофизики и космической астрономии (CASA) в CU Boulder.
Он объяснил, что темная материя—это своего рода космический клей-пока еще неопознанная частица, которая составляет примерно 27% массы Вселенной и помогает связывать галактики, такие как наш собственный Млечный путь. На сегодняшний день ученые в основном ведут охоту за этой невидимой материей с помощью лабораторного оборудования.
Дарлинг использовал другой подход в своих последних исследованиях: опираясь на данные телескопа, он всматривается в PSR J1745-2900, чтобы увидеть, может ли он обнаружить слабые сигналы одного кандидата на темную материю—частицы, называемой аксионом,—преобразующейся в свет. До сих пор поиски ученого ни к чему не привели. Но его результаты могли бы помочь физикам, работающим в лабораториях по всему миру, сузить свои собственные поиски аксиона.
Новые исследования также напоминают о том, что исследователи все еще могут смотреть в небо, чтобы решить некоторые из самых сложных вопросов в науке, сказал Дарлинг. В этом месяце он опубликовал свой первый раунд результатов в Astrophysical Journal Letters и Physical Review Letters.
“В астрофизике мы находим все эти интересные проблемы, такие как темная материя и темная энергия, затем мы отступаем назад и позволяем физикам решать их”, - сказал он. - Какая жалость.”
Естественный эксперимент
Этот Магнетар вращается вокруг сверхмассивной черной дыры в центре галактики Млечный Путь на расстоянии менее светового года. И это сила природы: PSR J1745-2900 генерирует магнитное поле, которое примерно в миллиард раз мощнее самого мощного магнита на земле.
- У магнетаров есть все магнитное поле, которое есть у звезды, но оно было сжато до площади около 20 километров в поперечнике, - сказал Дарлинг.
И именно там Дарлинг отправился ловить темную материю.
Он объяснил, что ученым еще предстоит найти единственный Аксион, теоретическую частицу, впервые предложенную в 1970—х гг. физики, однако, предсказывают, что эти эфемерные частицы материи могли быть созданы в огромных количествах в течение ранней жизни вселенной-и в достаточно больших количествах, чтобы объяснить дополнительную массу космоса из темной материи. Согласно теории, аксионы в миллиарды или даже триллионы раз легче электронов и лишь изредка взаимодействуют со своим окружением.
Это делает их почти невозможными для наблюдения, за одним большим исключением: если Аксион проходит через сильное магнитное поле, он может трансформироваться в свет, который исследователи теоретически могли бы обнаружить.
Ученые, в том числе команда из JILA в кампусе CU Boulder, использовали магнитные поля, генерируемые лабораторией, чтобы попытаться запечатлеть этот переход в действии. У Дарлинга и других ученых была другая идея: почему бы не попробовать тот же поиск, но в гораздо большем масштабе?
“Магнетары-самые магнитные объекты, которые мы знаем во вселенной, - сказал он. - Мы никак не можем подобраться к этой силе в лаборатории.”
Сужение
Чтобы использовать это естественное магнитное поле, Дарлинг использовал наблюдения PSR J1745-2900, сделанные очень большим массивом Карла г. Янского, обсерваторией в Нью-Мексико. Если Магнетар действительно превращал аксионы в свет, то эта метаморфоза могла проявиться в излучении, исходящем от коллапсировавшей звезды.
Это все равно что искать одну-единственную иголку в очень-очень большом стоге сена. Дарлинг сказал, что, хотя теоретики установили ограничения на то, насколько тяжелыми могут быть аксионы, эти частицы все еще могут иметь широкий диапазон возможных масс. Каждая из этих масс, в свою очередь, будет производить свет с определенной длиной волны, почти как отпечаток пальца, оставленный темной материей.
Дарлинг еще не заметил ни одной из этих различных длин волн в свете, исходящем от магнетара. Но он смог использовать наблюдения, чтобы исследовать возможное существование аксионов в самом широком диапазоне масс—неплохо для его первой попытки. Он добавил, что такие исследования могут дополнить работу, проводимую в экспериментах на Земле.
Конрад Ленерт согласился. Он участвует в эксперименте, проводимом Йельским университетом под названием, Что неудивительно, HAYSTAC, который ищет аксионы с помощью магнитных полей, созданных в лабораториях по всей стране.
Ленерт объяснил, что астрофизические исследования, подобные исследованиям Дарлинга, могут служить своего рода разведчиками в поисках аксионов—выявлять интересные сигналы в свете магнетаров, которые лабораторные исследователи могли бы затем исследовать с гораздо большей точностью.
“Эти хорошо контролируемые эксперименты позволили бы выяснить, какие из астрофизических сигналов могут иметь происхождение темной материи”, - сказал Ленерт, сотрудник JILA, совместного исследовательского института между CU Boulder и Национальным институтом стандартов и технологий (NIST).
Дарлинг планирует продолжить свои собственные поиски, что означает еще более пристальный взгляд на Магнетар в центре нашей галактики: “нам нужно заполнить эти пробелы и пойти еще глубже.”
***
Фотографии взяты из открытых источников, с сервиса Яндекс.Картинки
Подписывайся на канал. Впереди много интересной информации.
