Физики из Университета Копенгагена начали использовать гигантские магнитные поля скоплений галактик для наблюдения за далёкими чёрными дырами в поисках неуловимой частицы, которая десятилетиями ставит учёных в тупик.
История экстремальных величин, которые трудно осмыслить
Самые массивные структуры во Вселенной, скопления галактик, в квадриллион раз массивнее Солнца. А аксионы, загадочные теоретические частицы, намного легче даже самого лёгкого атома.
Аксион — гипотетическая элементарная частица, которая может стать ключом к пониманию тёмной материи — неизвестного материала, который, как полагают, составляет около 80% массы в нашей Вселенной.
Пока никто не доказал существование аксионов, которое ускользало от исследователей на протяжении десятилетий. Но с помощью хитрого трюка, связанного с далёкими галактиками, физики из Университета Копенгагена, возможно, приблизились к разгадке как никогда близко.
Вместо того чтобы использовать ускоритель частиц на Земле, подобный тому, что в ЦЕРНе, исследователи обратились к космосу и использовали его как своего рода гигантский ускоритель частиц. Они искали электромагнитное излучение, исходящее из ядер далёких и очень ярких галактик, в каждой из которых в центре находится сверхмассивная чёрная дыра.
Затем они наблюдали за этим излучением, когда оно проходило через огромные магнитные поля, обнаруженные в скоплениях галактик, где некоторые из них могли гипотетически преобразоваться в аксионы. Это преобразование оставило бы крошечные случайные флуктуации в данных. Но каждый сигнал настолько слаб, что сам по себе теряется в фоновом шуме Вселенной.
Поэтому исследователи ввели новую концепцию. Вместо этого они наблюдали в общей сложности за 32 сверхмассивными чёрными дырами, расположенными за скоплениями галактик, а затем объединили данные своих наблюдений.
Когда исследователи изучили данные, они были удивлены, обнаружив закономерность, напоминающую сигнатуру неуловимой частицы аксиона.
«Обычно сигнал от таких частиц непредсказуем и выглядит как случайный шум. Но мы поняли, что, объединив данные из разных источников, мы превратили весь этот шум в чёткую, узнаваемую закономерность», — объясняет Олег Ручайский, доцент Института Нильса Бора Университета Копенгагена и старший автор статьи в журнале Nature Astronomy под названием «Constraints on axion-like particles from active galactic nuclei seen through galaxy clusters».
Он добавляет: «Это проявляется в виде уникальной ступенчатой закономерности, которая показывает, как могло бы выглядеть это преобразование. Мы видим это лишь как намёк на сигнал в наших данных, но это всё равно очень заманчиво и волнительно. Можно назвать это космическим шёпотом, который теперь достаточно громкий, чтобы его услышать».
Хотя закономерность, обнаруженная учёными, не является окончательным доказательством существования аксионов, исследование Ручайского и его коллег приближает нас к пониманию того, что такое тёмная материя.
«Этот метод значительно расширил наши знания об аксионах. По сути, он позволил нам составить карту большой области, в которой, как мы знаем, аксионов нет, что сужает пространство, где их можно найти», — говорит Лидия Задорожна, научный сотрудник Института Нильса Бора, которая является одним из ведущих авторов новой статьи.
Хотя этот эксперимент был сосредоточен на определённом типе электромагнитного излучения, известном как гамма-лучи, метод может быть использован и для других типов излучения, таких как рентгеновские лучи.
«Мы в восторге, потому что это не единичное достижение. Этот метод позволяет нам выйти за пределы предыдущих экспериментальных ограничений и открыл новый путь к изучению этих неуловимых частиц. Этот метод может быть повторён нами и другими группами в широком диапазоне масс и энергий. Таким образом, мы можем добавить больше кусочков к разгадке объяснения тёмной материи», — говорит Задорожна.
Предоставлено Университетом Копенгагена.