До сих пор ученые гадают, из чего же может состоять темная материя, которая представляет собой значительную часть массы вселенной. Физики из немецкого Майнца разработали новую теорию и предлагают искать частички темной материи в совершенно ином диапазоне масс, чем прежде. Помочь же в этом должно космическое рентгеновское излучение.
Рентгеновский снимок удаленного от нас на 240 световых лет галактического скопления Персея. Излучаемое галактиками и галактическими скоплениями рентгеновское излучение продолжает ставить перед астрофизиками загадки, но может помочь в понимании природы темной материи.
Темная материя продолжает оставаться загадкой для астрономов и физиков. Ученые во всем мире уже на протяжении десятилетий ищут эти частички материи, не выделяющие света и поэтому невидимые для человеческого глаза. Их существование было постулировано еще в 1930 годы, чтобы получить возможность для объяснения астрономических наблюдений. В то время как видимая материя, как та, из которой состоят звезды и планеты (и Земля в том числе), составляет всего около пяти процентов Вселенной, доля темной материи в ней, как показывают расчеты, занимает примерно 23 процента. Но при этом до сих пор, несмотря на интенсивные поиски, так и не найдено даже намека, о частицах какой природы здесь могла бы идти речь.
Ученые университета Иоганна Гутенберга в Майнце пошли своим путем и предложили искать эти мистические частички совсем не там, где их искали до сих пор. Наиболее походящими кандидатами могли бы стать не очень тяжелые частицы, как считалось раньше, а наоборот – крайне легкие частицы, почти в сотню раз более легкие, чем электрон. Об этом ученые написали в журнале Physical Review Letters.
Наличие в космосе темной материи обосновывается преимущественно тем, что вращение звезд вокруг своих галактических центров при отсутствии такой материи не способно было бы осуществляться так, как это наблюдается. Например, претендентами на роль темной материи, коим отдают предпочтение многие астрофизики, считаются так называемые ВИМПы (Weakly Interacting Massive Particle) – существующие пока что лишь в гипотезах слабовзаимодействующие массивные частицы, за которыми, например, идет охота в итальянской подземной лаборатории Gran Sasso. Но в последнее время все больше публикаций в области физики астрочастиц ставит существование ВИМПов под вопрос.
«И мы тоже сейчас более смело стали оглядываться по сторонам в поисках альтернативных вариантов», - говорит профессор Иоахим Копп их Майнца. Физик со своими коллегами Ведраном Брдаром, Жиа Лю и Чао Пинг Вангом обратились к результатам наблюдений, о которых сообщали в 2014 году независимые группы исследователей. Суть их заключалась в том, что в разных местах неба проявились неизвестные до тех пор спектральные линии в рентгеновском диапазоне с энергией в 3,5 килоэлектронвольт (кэВ). Это необычное рентгеновское излучение галактик и скоплений галактик вполне могло бы стать указанием на наличие темной материи.
Такая связь сама по себе новым наблюдением не является и уже даже рассматривалась в том ключе, что при разрушении темной материи как раз и выделяется рентгеновское излучение. Группа Коппа в университете Майнца в рамках направления «Прецизионная физика, фундаментальные взаимодействия и структура материи» пошла несколько иным путем. Вместо разрушения ученые просчитали иной сценарий, когда две частички темной материи сталкиваются и взаимно дематериализуются. Процесс этот называется аннигиляцией, и происходит он, например, и при встрече электрона со своей античастицей, позитроном.
«Раньше все исходили из того, что парное взаимоуничтожение в случае столь легкой темной материи просто недоступно для наблюдения», - рассказывает профессор. - «Мы же просчитали совершенно иную модель и сопоставили полученные в ходе экспериментов данные. Оказалось, что все сочетается здесь намного естественнее, чем в смоделированных системах, которые были составлены раньше». Соответственно, частички темной материи могли бы оказаться фермионами с массами лишь в минимум килоэлектронвольт, за что их зачастую обозначают как «стерильные нейтрино».
Правда, такие легкие частицы считаются проблематичными, так как они не могут в достаточной мере объяснить возникновения галактик. «Такие сомнения мы можем отмести», - считает Копп. - «Наша модель предлагает элегантный выход из проблемы». Но при этом решающим является предположение, что аннигиляция темной материи представляет собой двухступенчатый процесс: сначала образуется промежуточное состояние, которое затем дематериализуется в наблюдаемое рентгеновское излучение. «Мы показываем в наших расчетах, что полученная рентгеновская подпись очень хорошо совпадает с наблюдениями и, соответственно, представляет собой совершенно оригинальное объяснение», - считает профессор.
Кроме того, разработанная модель получилась до такой степени общей, что может стать перспективной исходной позицией для поиска темной материи, ежели, конечно, открытая в 2014 году спектральная линия имеет иную причину происхождения. Физики-теоретики и физики-экспериментаторы университета Майнца сейчас приступили к работе в предложенном Европейским космическим агентством проекте e-ASTROGAM, где им предстоит исследовать астрофизическое рентгеновское излучение с точностью, о которой еще совсем недавно никто не мог и мечтать.
0
