Учёные ищут «распадающуюся» тёмную материю (DDM), поскольку она имеет уникальные признаки, такие как специфические линии рентгеновского или гамма-излучения, а также сигналы нейтрино, которых нет у обычной материи. Это может раскрыть природу частиц тёмной материи, их массу и взаимодействия — информацию, которая может пролить свет на структуру Вселенной. DDM — это теоретическая модель, в которой частицы тёмной материи не абсолютно стабильны, а медленно распадаются в течение огромного космического времени в более лёгкие частицы тёмной материи и/или безмассовые частицы, оставляя после себя гравитационные или электромагнитные сигналы.
Новое исследование
Недавнее исследование, опубликованное в The Astrophysical Journal Letters, демонстрирует, что эту форму тёмной материи потенциально можно обнаружить по неизвестным линиям рентгеновского излучения в спектрах скоплений галактик.
«Восемьдесят пять процентов массы в скоплениях галактик приходится на тёмную материю, и мы можем хорошо смоделировать радиальное распределение тёмной материи», — отмечает доктор Минг Сун, профессор Колледжа наук Университета Алабамы в Хантсвилле (UAH), являющийся автором проекта. «Таким образом, скопления галактик являются отличными объектами для такого поиска, поскольку они богаты тёмной материей, и мы хорошо знаем массу тёмной материи в скоплениях».
Участие студентов и предыдущие исследования
В работе участвовал доктор Сун и его постдокторский исследователь Пратамеш Тамхане. Исследование продолжает работу, начатую в 2014 году под руководством выпускницы UAH доктора Эсры Булбул, которая сейчас является ведущим учёным по кластерной науке и космологии в Институте Макса Планка.
Линии рентгеновского излучения
Линии рентгеновского излучения — это уникальные отпечатки элементов, которые появляются в виде пиков в рентгеновском спектре, когда электроны переходят с более высоких на более низкие энергетические уровни в атоме, высвобождая энергию в виде рентгеновских фотонов. Эти отчётливые спектральные линии указывают на присутствие тяжёлых элементов, таких как железо, кремний и кислород, выброшенных из галактик. Это позволяет астрономам составлять карты распределения элементов и измерять температуру и плотность газа, что помогает понять сложную физику этих массивных структур.
Неизвестная линия рентгеновского излучения
Неизвестная линия рентгеновского излучения, обнаруженная примерно при 3,5 килоэлектронвольтах (кэВ) в спектрах скоплений галактик, стала предметом интенсивных научных дискуссий как устойчивая астрономическая аномалия. Учёные традиционно использовали приборы с зарядовой связью (ПЗС) — светочувствительные полупроводниковые чипы — для обнаружения слабых следов ионизирующих частиц, таких как тяжёлые ионы или нейтрино, в этих спектрах. Это позволило им наблюдать траектории частиц в попытке разрешить эту «неизвестную» линию излучения.
Данные XRISM
Для нового исследования учёные использовали данные, собранные в рамках миссии по рентгеновской визуализации и спектроскопии (XRISM) — совместного космического телескопа, разработанного JAXA (Япония) и NASA при поддержке Европейского космического агентства (ЕКА).
«Почти все прошлые исследования использовали данные ПЗС, которым не хватает необходимого энергетического разрешения для разрешения неизвестной линии», — объясняет Сун. «Теперь XRISM предоставляет спектры с высоким энергетическим разрешением, которые могут разрешить эту линию. Поскольку сигналы линии очень слабые, мы объединили почти трёхмесячные данные XRISM для такого поиска».
Ведущий кандидат
Ведущим кандидатом на загадочную линию излучения является частица, называемая «стерильным» нейтрино. Нейтрино — это крошечные, почти безмассовые субатомные частицы, которые путешествуют со скоростью, близкой к скорости света, и едва взаимодействуют с обычной материей. Они играют решающую роль в понимании Вселенной, несмотря на то, что их невероятно трудно обнаружить.
«Стерильное нейтрино — это гипотетический тип нейтрино, который взаимодействует с другими частицами только через гравитацию, в отличие от трёх известных «активных» нейтрино, которые также взаимодействуют через слабое взаимодействие», — отмечает Сун. «Существование стерильного нейтрино хорошо обосновано теоретически и может объяснить очень малую, но ненулевую массу обычных нейтрино. Стерильные нейтрино могут распадаться на два фотона с одинаковой энергией. Модели могут предсказать скорость распада стерильных нейтрино, которая затем ограничивается данными».
Будущее исследований
Рассматривая будущее этого типа исследований, учёные отмечают, что слабо взаимодействующие массивные частицы (WIMPS) — гипотетические частицы, которые массивны, но взаимодействуют только через гравитацию и слабое ядерное взаимодействие — всё ещё считаются одним из наиболее вероятных мест, где может скрываться тёмная материя. Однако Сун подчёркивает, что исследование альтернативных возможностей остаётся решающим для разгадки тайны.
«WIMPs по-прежнему являются основным кандидатом на тёмную материю, но были проведены эксперименты на миллиарды долларов, которые только ужесточают верхние пределы, так что альтернативные сценарии необходимо учитывать. Это исследование предоставляет самые строгие ограничения на стерильное нейтрино в диапазоне 5–30 кэВ, полученные из данных с высоким энергетическим разрешением, что впоследствии ограничивает модели тёмной материи», — заключает исследователь из UAH. «С увеличением объёма данных XRISM в течение следующих 5–10 лет мы сможем либо обнаружить линию, либо существенно улучшить предел».
Предоставлено Университетом Алабамы в Хантсвилле.