Это не частицы, это ключи к альтернативной Вселенной, и мы почти коснулись их — но промахнулись
NewsMakerДве команды, два телескопа, миллионы расчётов — и абсолютное ничто в ответ. Где же прячутся аксионы?
Поиск тёмной материи остаётся одной из самых захватывающих и одновременно загадочных задач современной физики. Убеждённость в её существовании опирается на гравитационные эффекты, наблюдаемые в масштабах галактик и скоплений, однако сама субстанция по-прежнему ускользает от прямого наблюдения. Она не испускает света, не поглощает его и не взаимодействует с ним привычным образом. В этом контексте аксионы — гипотетические элементарные частицы — выглядят особенно привлекательно: они обладают предельно слабыми связями с обычным веществом и могут объяснить природу невидимой массы.
Две независимые научные группы — одна с участием учёных из университетов Падуи, Сарагосы, Технического университета Дортмунда, а также центров DESY и SLAC, вторая из Калифорнийского университета в Беркли — подошли к поиску аксионов с новой стороны . Вместо лабораторных экспериментов они обратились к астрономии, задействовав данные рентгеновского телескопа NuSTAR, наблюдавшего галактики M82 и M87 . Их подход базировался на предположении, что эти частицы могут рождаться в недрах звёзд и оставлять после себя еле уловимые следы в виде необычного рентгеновского излучения.
Авторы первой работы сосредоточились на звёздных процессах в так называемых звёздообразующих галактиках, где происходит бурное формирование новых светил. Галактика M82, также известная как «Сигара», — яркий представитель таких объектов. Здесь температура массивных звёзд достигает сотен миллионов Кельвинов, и это создаёт условия, при которых фотоны из звёздной плазмы могут с незначительной вероятностью переходить в аксионы. Эти вновь образованные частицы ускользают за пределы звезды, а позже — спустя десятки тысяч лет — распадаются, испуская рентгеновские фотоны.
Особенность сигнала, который должен возникать при подобных распадах, заключается в его спектре: излучение будет более жёстким по сравнению с обычным фоном и иметь характерное угловое распределение. Это отличает его от стандартных рентгеновских потоков, порождаемых другими источниками в галактике.
Команда под руководством Эдоардо Витальяно тщательно просчитала, как именно должен выглядеть такой рентгеновский «ореол» вокруг M82, если аксионы действительно присутствуют. Используя данные NuSTAR, собранные в течение более миллиона секунд наблюдений, исследователи попытались найти следы этого ореола — и не обнаружили его. Отсутствие сигнала позволило им установить новые ограничения: если аксионы существуют, их взаимодействие с фотонами должно быть ещё слабее, чем предполагалось до сих пор.
Хотя само открытие не произошло, полученные результаты значительно продвинули границу допустимых параметров. Команда исследовала область масс аксионов ниже одного мегаэлектронвольта, где ранее наблюдения были невозможны или малочувствительны. При этом M82 оказалась идеальным объектом: здесь сочетаются высокая плотность массивных звёзд и умеренные релятивистские эффекты, не мешающие интерпретации сигнала.
Исследователи также обратили внимание на потенциальные последствия открытия аксионов в этом диапазоне масс: они могли бы указать на относительно низкую температуру в момент окончания инфляции — раннего периода расширения Вселенной. Это дало бы редкую возможность заглянуть в условия, при которых формировалась первичная космологическая среда.
Коллектив Витальяно планирует расширить свои наблюдения за счёт других астрономических источников. Их интересуют области, где условия достаточно экстремальны для генерации новых частиц, но не настолько, чтобы распады тормозились из-за эффекта замедления времени — явления, знакомого по специальной теории относительности .
Тем временем команда из Беркли — Орион Нинг и Бенджамин Сафди — пошла другим путём. Они выдвинули идею масштабного «космического эксперимента», аналогичного известному лабораторному сценарию «свет, проходящий сквозь стены». Только в их варианте в роли «лампы» выступает вся звёздная популяция галактики, а в качестве «детектора» — рентгеновский телескоп.
Согласно их гипотезе, внутри звёзд фотон может превращаться в аксион. Эти частицы затем свободно покидают светила и, проходя через магнитные поля галактики, с некоторой вероятностью превращаются обратно в фотоны. Такой «обратный» процесс зависит от силы связи аксионов с электромагнетизмом, а значит, даёт возможность изучить это взаимодействие.
Нинг и Сафди сосредоточились не только на M82, но и на гигантской эллиптической галактике M87. Они рассчитывали, что использование целых галактик как источников позволит многократно увеличить плотность аксионного потока по сравнению с расчётами, основанными на отдельных звёздах. Это, в свою очередь, повысит шансы уловить сигналы взаимодействий.
Проведённый анализ данных NuSTAR вновь не выявил признаков аксионного свечения. Однако учёные получили более жёсткие ограничения на взаимодействие аксионов с массами менее 10−10 электронвольта с фотонами. Эти результаты стали одними из самых строгих на сегодняшний день для лёгких частиц такого типа.
Сейчас исследователи из Беркли развивают свою концепцию в нескольких направлениях. Одна из целей — поиск аксионов, взаимодействующих не с фотонами, а с электронами. Другой фокус — аксионы, возникающие в результате связей с нуклонами, то есть протонами и нейтронами. В этих сценариях включаются механизмы ядерной физики и термоядерных процессов.
Параллельно группа Витальяно изучает модель, в которой аксионы, не успев распасться, могут скапливаться под действием гравитации вблизи звёздных объектов, образуя своеобразные «бассейны». Следы таких накоплений можно попытаться выявить с помощью других телескопов, в том числе европейского аппарата INTEGRAL.
Даже без обнаружения самих частиц обе работы представляют собой важный шаг в сужении параметров возможного существования аксионов. Каждая новая граница, обозначенная наблюдением, делает будущие исследования более прицельными — и приближает момент, когда загадка тёмной материи наконец получит конкретное объяснение.
Поиск тёмной материи остаётся одной из самых захватывающих и одновременно загадочных задач современной физики. Убеждённость в её существовании опирается на гравитационные эффекты, наблюдаемые в масштабах галактик и скоплений, однако сама субстанция по-прежнему ускользает от прямого наблюдения. Она не испускает света, не поглощает его и не взаимодействует с ним привычным образом. В этом контексте аксионы — гипотетические элементарные частицы — выглядят особенно привлекательно: они обладают предельно слабыми связями с обычным веществом и могут объяснить природу невидимой массы.
Две независимые научные группы — одна с участием учёных из университетов Падуи, Сарагосы, Технического университета Дортмунда, а также центров DESY и SLAC, вторая из Калифорнийского университета в Беркли — подошли к поиску аксионов с новой стороны . Вместо лабораторных экспериментов они обратились к астрономии, задействовав данные рентгеновского телескопа NuSTAR, наблюдавшего галактики M82 и M87 . Их подход базировался на предположении, что эти частицы могут рождаться в недрах звёзд и оставлять после себя еле уловимые следы в виде необычного рентгеновского излучения.
Авторы первой работы сосредоточились на звёздных процессах в так называемых звёздообразующих галактиках, где происходит бурное формирование новых светил. Галактика M82, также известная как «Сигара», — яркий представитель таких объектов. Здесь температура массивных звёзд достигает сотен миллионов Кельвинов, и это создаёт условия, при которых фотоны из звёздной плазмы могут с незначительной вероятностью переходить в аксионы. Эти вновь образованные частицы ускользают за пределы звезды, а позже — спустя десятки тысяч лет — распадаются, испуская рентгеновские фотоны.
Особенность сигнала, который должен возникать при подобных распадах, заключается в его спектре: излучение будет более жёстким по сравнению с обычным фоном и иметь характерное угловое распределение. Это отличает его от стандартных рентгеновских потоков, порождаемых другими источниками в галактике.
Команда под руководством Эдоардо Витальяно тщательно просчитала, как именно должен выглядеть такой рентгеновский «ореол» вокруг M82, если аксионы действительно присутствуют. Используя данные NuSTAR, собранные в течение более миллиона секунд наблюдений, исследователи попытались найти следы этого ореола — и не обнаружили его. Отсутствие сигнала позволило им установить новые ограничения: если аксионы существуют, их взаимодействие с фотонами должно быть ещё слабее, чем предполагалось до сих пор.
Хотя само открытие не произошло, полученные результаты значительно продвинули границу допустимых параметров. Команда исследовала область масс аксионов ниже одного мегаэлектронвольта, где ранее наблюдения были невозможны или малочувствительны. При этом M82 оказалась идеальным объектом: здесь сочетаются высокая плотность массивных звёзд и умеренные релятивистские эффекты, не мешающие интерпретации сигнала.
Исследователи также обратили внимание на потенциальные последствия открытия аксионов в этом диапазоне масс: они могли бы указать на относительно низкую температуру в момент окончания инфляции — раннего периода расширения Вселенной. Это дало бы редкую возможность заглянуть в условия, при которых формировалась первичная космологическая среда.
Коллектив Витальяно планирует расширить свои наблюдения за счёт других астрономических источников. Их интересуют области, где условия достаточно экстремальны для генерации новых частиц, но не настолько, чтобы распады тормозились из-за эффекта замедления времени — явления, знакомого по специальной теории относительности .
Тем временем команда из Беркли — Орион Нинг и Бенджамин Сафди — пошла другим путём. Они выдвинули идею масштабного «космического эксперимента», аналогичного известному лабораторному сценарию «свет, проходящий сквозь стены». Только в их варианте в роли «лампы» выступает вся звёздная популяция галактики, а в качестве «детектора» — рентгеновский телескоп.
Согласно их гипотезе, внутри звёзд фотон может превращаться в аксион. Эти частицы затем свободно покидают светила и, проходя через магнитные поля галактики, с некоторой вероятностью превращаются обратно в фотоны. Такой «обратный» процесс зависит от силы связи аксионов с электромагнетизмом, а значит, даёт возможность изучить это взаимодействие.
Нинг и Сафди сосредоточились не только на M82, но и на гигантской эллиптической галактике M87. Они рассчитывали, что использование целых галактик как источников позволит многократно увеличить плотность аксионного потока по сравнению с расчётами, основанными на отдельных звёздах. Это, в свою очередь, повысит шансы уловить сигналы взаимодействий.
Проведённый анализ данных NuSTAR вновь не выявил признаков аксионного свечения. Однако учёные получили более жёсткие ограничения на взаимодействие аксионов с массами менее 10−10 электронвольта с фотонами. Эти результаты стали одними из самых строгих на сегодняшний день для лёгких частиц такого типа.
Сейчас исследователи из Беркли развивают свою концепцию в нескольких направлениях. Одна из целей — поиск аксионов, взаимодействующих не с фотонами, а с электронами. Другой фокус — аксионы, возникающие в результате связей с нуклонами, то есть протонами и нейтронами. В этих сценариях включаются механизмы ядерной физики и термоядерных процессов.
Параллельно группа Витальяно изучает модель, в которой аксионы, не успев распасться, могут скапливаться под действием гравитации вблизи звёздных объектов, образуя своеобразные «бассейны». Следы таких накоплений можно попытаться выявить с помощью других телескопов, в том числе европейского аппарата INTEGRAL.
Даже без обнаружения самих частиц обе работы представляют собой важный шаг в сужении параметров возможного существования аксионов. Каждая новая граница, обозначенная наблюдением, делает будущие исследования более прицельными — и приближает момент, когда загадка тёмной материи наконец получит конкретное объяснение.