Физики ограничили темную материю
Наблюдения за выбросами сверхмассивных черных дыр неожиданно помогли российским космологам сузить поле поисков аксионов, сверхлегкой формы темной материи. Их выводы были опубликованы в Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.
Достаточно долгое время ученые считали, что Вселенная состоит из той материи, которую мы видим, и которая составляет основу всех звезд, черных дыр, туманностей, скоплений пыли и планет. Но первые наблюдения за скоростью движения звезд в близлежащих к нам галактиках показали, что светила на их окраинах движутся в них с невозможно высокой скоростью, которая была примерно в 10 раз выше, чем показывали расчеты на базе масс всех светил в них.
Причиной этого, как сегодня считают ученые, была так называемая темная материя – загадочная субстанция, на чью долю приходится примерно 75% от массы материи во Вселенной. Как правило, в каждой галактике примерно в 8-10 раз больше темной материи, чем ее видимой «кузины», и эта темная материя удерживает звезды на месте и не дает им «разбежаться».
Сегодня почти все ученые уверены в существовании темной материи, однако ее свойства, помимо ее очевидного гравитационного влияния на галактики и скопления галактик, остаются загадкой и предметом споров среди астрофизиков и космологов. Достаточно долго ученые предполагали, что она сложена из сверхтяжелых и «холодных» частиц-«вимпов», никак не проявляющих себя, кроме как притягивая видимые скопления материи.
Безуспешные поиски «вимпов» в последние два десятилетия заставили многих теоретиков считать, что темная материя на самом деле может быть «легкой и пушистой» и состоять из так называемых аксионов – сверхлегких частиц, похожих по массе и свойствам на нейтрино. Их первые поиски тоже завершились безрезультатно, что заставило космологов задуматься, где и как их следует искать.
Известный российский физик-теоретик Сергей Троицкий, работающий в Институте ядерных исследований РАН в Троицке, и его коллеги смогли значительно сузить поле поисков «легкой» темной материи, изучая данные, которые собирали их коллеги из МФТИ, ФИАН и Финляндии, проводившие «перепись» ядер активных галактик при помощи ряда наземных радиотелескопов.
Как космология и радиоастрономия оказались связаны друг с другом? Дело в том, что аксионы, если они действительно существуют, могут особым образом взаимодействовать с фотонами, частицами света, если те проходят через сильные магнитные поля, существующие в окрестностях центральных черных дыр в галактиках или других «намагниченных» компактных объектов.
Эти взаимодействия, в свою очередь, будут влиять на то, как происходит поляризация света и радиоволн – то, насколько сильно будут «закручены» волны в результате их взаимодействия с магнитными полями черных дыр. Соответственно, наблюдения за выбросами черных дыр в активных ядрах галактик позволяют проверить теории, описывающие поведение разных форм аксионов.
«Сначала нам показалось, что сигнал отдельных астрономических объектов вырисовывает синусоиду. Но проблема заключается в том, что период этого синуса должен определяться массой частиц темной материи, а значит, должен быть одинаковым у всех объектов. Для наших 30 объектов эти периоды никогда не повторялись», — отмечает Троицкий.
Отсутствие подобной периодичности в поляризации излучения «плевков» черных дыр означает, что аксионы, чья масса примерно на 21 или 23 порядка меньше, чем у электрона, или практически не взаимодействуют со светом, что не укладывается в общепринятые сегодня теории, или не существуют в принципе.
«Это значит, что взаимодействие с излучением наших сверхлегких частиц можно смело ограничить. Мы не исключаем существование таких аксионов, но мы показали отсутствие их взаимодействия с фотонами, тем самым получив ограничение на существующие модели, описывающие состав темной материи», — заключает теоретик.
В дальнейшем российские физики планируют искать следы существования более тяжелых частиц темной материи, существование которых допускается в других теоретических моделях. Для этого нужны иные методы наблюдений и спектральные диапазоны. По словам Сергея Троицкого, альтернативные модели имеют более жесткие ограничения.