Как физики охотятся за темной материей?

На сегодняшний день одной из величайших загадок космологии является темная материя – таинственная субстанция, не поддающаяся непосредственному наблюдению и участвующая в гравитационном взаимодействии. Исследователи полагают, что темная материя способна объяснить не только ряд астрофизических явлений, например движение и скопление галактик, но и само происхождение жизни. Вот только эта таинственная материя полностью невидима, так как не излучает свет или энергию, а значит обнаружить ее невозможно. И хотя физики полагают, что ключ к неуловимой природе темной материи лежит в ее составе, определить последний также не представляется возможным. И все же, надежда умирает последней – недавно Европейское космическое агентство (ЕКА) продемонстрировало первые тестовые снимки, сделанные космическим телескопом «Евклид», с помощью которых физики надеются наконец обнаружить темную материю (и не только). Но это – далеко не все новости.

Можно ли обнаружить темную материю с помощью телескопов, атомных часов и подземных детекторов?

Наблюдения в астрономии предполагают наличие “темной материи”, на долю которой приходится более 80% всей материи во Вселенной. Примечательно, что на сегодняшний день нет никаких достоверных доказательств того, что темная материя взаимодействует с фотонами – фундаментальными частицами света. Именно из-за этого отсутствия взаимодействия ее называют “темной”. Состав темной материи и любые потенциальные неизвестные взаимодействия с обычной материей остаются для нас тайной.

Темная материя – это частицы?

Считается, что темная материя составляет около 80% вещества во Вселенной и отвечает за большую часть гравитационного взаимодействия, позволяя формироваться таким структурам, как галактики. Поскольку Солнечная система вращается вокруг центра Млечного Пути, наша планета движется через гало темной материи (которое составляет большую часть вещества в Галактике).

Так как темная материя не поддается непосредственному наблюдению, физики работают над разнообразными способами ее обнаружения. Так, согласно одной из популярных теорий, темная материя – это новый тип слабо взаимодействующих частиц WIMP. Считается, что они обладают массой и крайне редко взаимодействуют с обычной материей – вместо этого WIMP взаимодействуют с гравитацией.

Среди кандидатов на роль темной материи исследователи выделяют слабо взаимодействующие массивные частицы (WIMPs), рожденные в ранней Вселенной.

За последние 30 лет ученые разработали экспериментальную программу, чтобы попытаться обнаружить редкие взаимодействия между WIMP и обычными атомами. Однако на Земле нас постоянно окружают низкие, неопасные уровни радиоактивности, исходящие от микроэлементов – главным образом, урана и тория – в окружающей среде, а также космических лучей из космоса.

Читайте также: Существует ли темная материя? И почему мнения ученых разделились?

Чтобы подтвердить, действительно ли WIMP – образующие частицы темной материи, исследователи работают над созданием как можно более чувствительного детектора, способного зафиксировать темную материю. Такой детектор должен находиться в как можно более тихом месте, чтобы сигнал таинственной материи можно было увидеть на фоне… радиоактивности.

Именно это, как сообщает The Conversation, удалось сделать физикам из коллаборации LUX-ZEPLIN, или LZ – исследователи построили самый большой на сегодняшний день детектор темной материи и установили его на глубине 1478 метров под землей (чтобы блокировать космическое излучение) в исследовательском центре Сэнфорда в Лиде, – говорится в статье.

Подземный детектор LZ ищет частицы таинственной темной материи

В центре LZ находится 10 000 килограммов жидкого ксенона. Когда частицы проходят через детектор, то могут сталкиваться с атомами ксенона, что приводит к вспышке света и высвобождению электронов. Результаты инновационной работы опубликованы в июле в журнале Physics Review Letters.

И все же, несмотря на приложенные усилия, обнаружить потенциальные частицы темной материи ученым не удалось – как говорится в исследовании, детектор регистрировал около пяти событий в день. Рассмотрев характеристики этих событий, физики могут с уверенностью сказать, что ни одно из них не было вызвано темной материей. Увы, но она по-прежнему остается невидимой. Исследователи, однако, продолжают сбор данных, и в будущем, возможно, смогут обнаружить эти таинственные частицы.

Еще больше статей о тайнах Вселенной и темной материи читайте на нашем канале Яндекс.Дзен! Так вы точно не пропустите ничего интересного!

Может ли космический телескоп обнаружить темную материю?

Исследователи Европейского космического агентства (ЕКА) недавно продемонстрировали первые снимки космического телескопа «Евклид», когда последний приближался к своей конечной орбите вокруг Земли. Когда этот астрономический инструмент достигнет пункта назначения, то сможет предоставить миру радикально новое представление о формировании и расширении Вселенной, а также о роли, которую во всем этом играют темная энергия, темная материя и гравитация.

Евклид – космический телескоп ЕКА скоро приступит к полноценной работе

Первые тестовые снимки, сделанные двумя бортовыми камерами телескопа — видимым прибором (VIS) и спектрометром и фотометром ближнего инфракрасного диапазона (NISP) – представляют собой серию детальных снимков ночного неба, демонстрирующих обширную коллекцию звезд, звездных скоплений и галактик.

Кнуд Янке из Института астрономии Макса Планка, партнер, участвующий в проекте, говорит, что снимки “пока непригодны для научных целей”, но приборы “превосходно работают в космосе”.

На первых снимках можно увидеть участок неба, составляющий примерно “четверть ширины и высоты полной Луны”. Представители ЕКА говорят, что обработав снимки и удалив такие «нежелательные артефакты» как космические лучи, изображения станут более детализированными, а значит, смогут быть использованы в научных целях.

Это интересно: Джеймс Уэбб обнаружил гипотетические звезды, питающиеся темной материей

Ранние тестовые изображения с прибора Euclid’s VIS. Слева – сетка миниатюр изображений. Справа – увеличенная сетка из четырех снимков, показывающая обширные звездные поля, галактики и звездные скопления.
Изображение: Европейское космическое агентство

Правда, и здесь не обойтись без ожиданий – пригодные для работы изображения телескоп начнет получать в октябре 2023 года, после того, как достигнет своей конечной позиции на расстоянии около 1,5 миллионов километров от Земли, завершив примерно трехмесячный “этап ввода в эксплуатацию и проверки работоспособности” (который начался после запуска телескопа в начале июля).

Отметим, что «Евклид» отличается от других известных космических телескопов, таких как «Хаббл» или Джеймс Уэбб – вместо того, чтобы искать конкретные космические объекты и детали, «Евклид» проведет свои шесть лет службы, заглядывая на 10 миллиардов лет в прошлое. Представители космического агентства говорят, что это поможет им ответить на вопросы о фундаментальных физических законах Вселенной, а также узнать, как она возникла и из чего на самом деле состоит.

Темная материя и атомные часы

Еще одна многообещающая теория по поискам темной материи относится к постоянной тонкой структуры – естественной постоянной, описывающей силу электромагнитного взаимодействия. Считается, что она определяет масштабы атомной энергии и, таким образом, влияет на частоты переходов, которые используются в качестве эталонных в атомных часах.

Атомные часы – самый точный прибор для измерения времени, который состоит из нескольких частей, а его электроника ответственна за стабильность работы и точность механизма. Сами по себе эти приборы не тяжелые и небольшие (а определение секунды основано на колебаниях атома цезия).

Темную материю можно искать с помощью атомных часов

Поскольку различные переходы в разной степени чувствительны к возможным изменениям постоянной тонкой структуры, сравнение атомных часов можно использовать для поиска темной материи. По этой причине физики использовали особенно чувствительные к возможным изменениям постоянной тонкой структуры атомные часы, сравнивая их с двумя другими атомными часами с более низкой чувствительностью при измерениях в течение нескольких месяцев.

Полученные в ходе работы результаты выявили наличие колебаний, характерных для темной материи. Но поскольку никаких существенных колебаний обнаружено не было, темная материя оставалась так и осталась незамеченной, даже при более тщательном рассмотрении.

Вам будет интересно: Темная материя – ключ к теории гравитации?

Таким образом, обнаружить таинственную темную материю исследователи так и не смогли, причем во всех трех описанных экспериментах. Это, однако, не означает, что мы никогда ее не найдем – исследования продолжаются, а значит появятся и другие идеи и способы охоты за самой таинственной материей во Вселенной. Будем ждать!