Все новости

Невыносимая легкость темной материи. Что такое аксионы и где их искали российские астрофизики

Галактика M87 в ложном цвете
© Chris Mihos (Case Western Reserve University)/ESO / CC BY 4.0
Несмотря на то что пока напрямую обнаружить темную материю никому не удается, исследователи планомерно исключают одну гипотезу за другой, и недавно группа российских ученых вместе с их финским коллегой сделала еще один шаг в этом направлении. Темная материя, по новым данным, не может состоять из сверхлегких частиц, чья масса на много порядков уступает даже массе нейтрино: кандидаты на звание «частицы темной материи» должны быть или еще легче, или тяжелее, чем предполагалось раньше.

В статье, которая пока доступна на репозитории препринтов научных статей arXiv.org, физики из Института ядерных исследований РАН и еще нескольких научных организаций (включая Университет Аальто в Финляндии) рассматривают гипотезу, согласно которой темная материя состоит из так называемых аксионоподобных сверхлегких частиц. Слово «сверхлегкие» означает, что эти частицы должны иметь очень малую массу — вплоть до 1023 электронвольт.

1023

Строго говоря, в электронвольтах измеряется энергия: 1 эВ — это чуть больше энергии кванта видимого света. Но в теории относительности масса связана с энергией знаменитым соотношением E=mc2, и ничто не мешает использовать электронвольты для массы. Это удобно, когда килограмм и грамм оказываются непрактично велики.

E=mc2

Масса протона составляет примерно миллиард эВ (или 1 ГэВ, гигаэлектронвольт), электрон потянет на миллион эВ (1 МэВ, мегаэлектронвольт), так что гипотетические аксионоподобные частицы все равно что мышь на фоне Земли. Столь легкие объекты крайне сложно поймать какими-либо детекторами, поэтому они оказываются вполне подходящими кандидатами на роль неуловимой и невидимой материи.

Неуловимость частиц могла бы сделать гипотезу полностью вненаучной (существование того, что никак нельзя поймать, нельзя ни подтвердить, ни опровергнуть), однако у физиков нашелся способ все-таки сопоставить предположение об ALP, сверхлегких аксионоподобных частицах, с результатами наблюдений. Помогло им наблюдение активных ядер галактик в радиодиапазоне: испускаемые центром галактик струи раскаленной плазмы позволили сделать вывод, что если ALP и существуют, их масса не может принимать значения от 5×1023 эВ до 1,2×1021 эВ. Конечно, ALP все еще могут оказаться легче или тяжелее, но ограничение пространства дальнейших поисков — уже значительный шаг на пути к поимке загадочных частиц. Если они существуют.

5×1023

1,2×1021

Читайте также: Мультивселенная против моновселенной. Как в науке отделяют «разумно научные» гипотезы от «ненаучных»

Бозон Хиггса, для сравнения, искали примерно так же: серия разных экспериментов на разных ускорителях последовательно закрывала одну возможность за другой. Поначалу ученые говорили, что частица не может быть легче некоторых значений, минимальная масса бозона росла из года в год, и только затем физики подтвердили ее существование непосредственными наблюдениями в Большом адронном коллайдере. Каждый шаг здесь не столь эффектен сам по себе, но без таких приближений открытия не делаются.

Джет из активного ядра галактики M87, одной из ближайшей к нам эллиптических галактик
Описание
Джет из активного ядра галактики M87, одной из ближайшей к нам эллиптических галактик

Взгляд в бездну

Активное ядро галактики — это место, где находится сверхмассивная черная дыра с массой в сотни миллионов масс Солнца. Черная дыра постоянно поглощает окружающее ее вещество, и этот процесс идет с большим выделением энергии: падающая материя сначала закручивается в дискообразное облако, потом часть ее выбрасывается наружу вдоль оси вращения. Струя, бьющая вдоль оси, называется джетом — скорость частиц в нем достигает околосветовых значений. В том же направлении испускается гамма-излучение, а вбок идет уже электромагнитное по всему диапазону, включая радиоволны и свет.

Галактика M87 в радиодиапазоне с разным масштабом. Исследователей интересовала часть, показанная крупным планом снизу, причем наблюдения за окрестностями черных дыр необходимо было вести на протяжении длительного времени
Описание
Галактика M87 в радиодиапазоне с разным масштабом. Исследователей интересовала часть, показанная крупным планом снизу, причем наблюдения за окрестностями черных дыр необходимо было вести на протяжении длительного времени

Не заметить активное ядро галактики невозможно. Современные телескопы часто фиксируют активные ядра, удаленные от нас на миллиарды световых лет, а аналогичные объекты поближе астрофизики очень пристально рассматривают в надежде понять, как же они устроены и что же находится в самом центре. Ученые используют полный набор инструментов — от оптических телескопов до радио- и гамма-обсерваторий, причем наблюдение в радиодиапазоне дает изображения с самым лучшим разрешением.

Разрешением прибора — от телескопа до дисплея телефона — называют способность передавать как можно более мелкие детали. На дисплее для этого делают как можно более мелкие пиксели, а в случае с телескопами самый верный способ заключается в постройке инструмента большего диаметра. Или в использовании нескольких телескопов для одновременного наблюдения — иногда это дает еще лучшую картинку.

Наблюдения за десятью активными ядрами галактик позволили собрать информацию о радиоизлучении, испускаемом их джетами, и узнать, как оно меняется по интенсивности и поляризации, то есть направлению колебаний электрического поля в электромагнитной волне. Электромагнитные волны, будь то свет или радиоволны, представляют собой колебания электрического и магнитного полей, причем поля эти могут колебаться либо во всех возможных направлениях, либо только в какой-то одной плоскости — тогда говорят, что излучение линейно поляризовано. Ряд физических процессов дает линейно поляризованное излучение, и сверхлегкие кандидаты в темную материю, ALP, как раз должны были, согласно теоретическим предсказаниям, влиять на поляризацию излучения от джетов.

О том, как проводились наблюдения, «Чердак» поговорил с одним из авторов статьи — Юрием Ковалевым, доктором наук и руководителем лабораторий в ФИАН и МФТИ.

[Chrdk.]: Почему вы выбрали именно эти галактики? Ведь галактик с активными ядрами много — взять ту же попавшую на снимки «Хаббла» М87.

[Юрий Ковалев]: Мы отобрали все активные галактики из нашего мониторинга на VLBA (программа MOJAVE), для которых мы смогли качественно измерить и проследить достаточно долго во времени направление линейной поляризации излучения выделенных областей их джетов. Для проведенного теста на аксионы надо было иметь «фоновый» источник поляризационного излучения с хорошо измеренными во времени свойствами.

[Ch]: А почему в этом исследовании не использовался «РадиоАстрон», российская космическая обсерватория, которая в сочетании с наземными инструментами дала бы еще более качественную картинку?

[ЮК]: «РадиоАстрон», конечно, лучше разрешит и картографирует области джетов. Вы совершенно правы. Но «РадиоАстрон» не ставил своей целью мониторинг — долговременное слежение за многими объектами и частое построение их изображений. Это было бы для него слишком дорого — забрало бы слишком много наблюдательного времени. «РадиоАстрон» решает много других важных и разнообразных задач. Для данной задачи разрешения VLBA вполне достаточно.

Фотон радиоизлучения на частоте 15 гигагерц — это в семь с половиной раз выше частоты, используемой в микроволновках, — имеет энергию около шести стотысячных электронвольта (6×10-5 эВ), в десятки миллионов миллиардов раз больше массы предполагаемых ALP. Но при расстоянии в сотни световых лет от Земли до источника излучения и значительной концентрации сверхлегких частиц вблизи галактики (их суммарная масса в десятки раз больше массы всего видимого вещества!) даже небольшое влияние гипотетических частиц должно было становится заметным… если, конечно, ALP в самом деле существуют.

6×10-5 

Судя по тому, что полученные данные с хорошей точностью совпали с предсказаниями модели «никаких ALP в заданном диапазоне масс нет», гипотезу следует закрыть или, как говорят физики, ограничить. Самые тяжелые объекты во Вселенной помогли нам разобраться с потенциально самыми легкими частицами — благодаря как своей невообразимой массе, так и тому, что радиоволны от них шли к параболическим антеннам на Земле со времен появления первых четвероногих животных и господства гигантских папоротников.

Одно из изображений джета галактики 3С 120. Верхний, цветной, контур показывает интенсивность излучения (шкала нарисована справа), а нижний обозначает поляризацию радиоволн (черточки соответствуют плоскости колебаний электрического поля в волне)
Описание
Одно из изображений джета галактики 3С 120. Верхний, цветной, контур показывает интенсивность излучения (шкала нарисована справа), а нижний обозначает поляризацию радиоволн (черточки соответствуют плоскости колебаний электрического поля в волне)

Что такое ALP и почему именно они?

Для ответа на вопрос «что такое темная материя?» можно придумать множество объяснений. Однако не все они будут научными. Так, версии «это скрытые корабли пришельцев» или «мы на самом деле живем в Матрице, где плохо прописано окружающее пространство» явно страдают как минимум принципиальной непроверяемостью.

В пределах только физики ограничения на производство гипотез о темной материи еще строже. Все основные предположения на сегодня строятся не просто по принципу «что бы такого трудноуловимого придумать?» — исследователи пытаются найти потенциальных кандидатов на роль неуловимой материи в теориях, изначально призванных решить иные задачи.

Те же ALP, аксионоподобные легкие частицы, представляют собой развитие идеи аксионов, придуманных — да, никто никогда никаких аксионов не видел — задолго до выхода темы темной материи на передний край физики. Аксионы являются одним из возможных решений задачи, которая до сих пор числится среди самых фундаментальных загадок: почему во Вселенной больше обычной материи в сравнении с антиматерией? Законы физики в известном нам виде гласят, что, скажем, электронов (малая масса, отрицательный заряд) должно бы быть поровну с позитронами (та же масса, но положительный заряд той же величины), равно как и число кварков должно более-менее совпадать с количеством антикварков.

Одна из антенн системы VLBA в США. Параболическое зеркало позволяет собрать радиоволны с большой площади, ловить очень слабые сигналы
Описание
Одна из антенн системы VLBA в США. Параболическое зеркало позволяет собрать радиоволны с большой площади, ловить очень слабые сигналы

Конечно, для нас перекос в сторону обычного вещества есть безусловное благо, ведь смесь наших частиц с равным количеством их антиподов быстро бы аннигилировала «в нули», породив лишь непригодное к строительству атомов излучение. Будь Вселенная симметрична — CP-симметрична, как говорят теоретики, — нас бы не существовало. Но что-то эту симметрию нарушило. Вопрос «что именно?» вкупе с «почему это нарушение происходит только в определенных случаях?» не решен до сих пор, и аксионы как раз возникают в одной из теорий, призванной дать на эти вопросы ответ.

Не вдаваясь в дебри теоретических моделей, можно сказать, что аксионы придумали в 1977 году и ряд опытов с тех пор существенно ограничил их параметры. Аксионы искали и среди летящих от Солнца частиц, их пытались создать при помощи особо мощных лазеров, для их поиска даже использовали поток тепла от земного ядра (идея состояла в том, что аксионы от Солнца нагреют планету выше расчетных значений), однако пока все эти попытки успехом не увенчались. Возможно, аксионы так и останутся на бумаге, поэтому «Чердак» задал вопрос Сергею Троицкому, другому автору новой работы и физику из отдела теоретической физики ИЯИ РАН, доктору наук.

[Chrdk.]: Почему вы выбрали аксионоподобные частицы из всего множества известных кандидатов на роль темной материи?

[Cергей Троицкий]: Потому что они классные! Моделей много, а эту вот таким неожиданным красивым способом можно проверять и ограничивать. Для поиска других частиц нужно строить дорогие эксперименты, а эти оказалось возможным изучить, просто подняв архивные данные уже наблюденных для других целей галактик. А вдруг бы мы такие частицы открыли?! Это во-первых.

[Ch.]: А во-вторых?

[СТ]: Тут сначала стоит сказать, почему есть интерес к сверхлегкой темной материи, чем она отличается от модели темной материи из частиц «обычной» массы. Это связано с тем, что сверхлегким частицам трудно образовывать структуры на масштабах, меньших их дебройлевской длины волны. У таких сверхлегких дебройлевская длина порядка 0,1-1 килопарсека, значит, структуры меньших масштабов с ними будут подавлены. А это как раз одна из проблем обычной (тяжелой, холодной и невзаимодействующей) темной материи — теория предсказывает много структур на малых масштабах, которых на самом деле в наблюдениях нет.

***

Дебройлевская длина волны — это квантовая характеристика объекта. В квантовой механике любой объект можно описать одновременно и как частицу, и как волну; длина этой волны прямо связана с массой объекта. Для чего-то комнатного масштаба или даже для наночастиц длина волны получается столь мала, что никаких специфических волновых эффектов увидеть не получится (и тот же кот Шредингера останется абстракцией), а вот пучок электронов будет рассеиваться на препятствии уже именно как волна, а не как летящие частицы.

В случае, когда дебройлевская волна имеет длину в сотни световых лет, собрать из таких объектов что-то меньше масштаба галактики оказывается затруднительным — уже в пределах одной звездной системы сверхлегкие аксионы будут скорее волнами, чем частицами. К этому исследователь добавил, что частицы очень малой массы, которые при этом способны взаимодействовать с фотонами (и тем самым проявляющие себя в астрофизических наблюдениях), получаются как раз в теории, которая при помощи аксионоподобных частиц объясняла нарушенную симметрию во Вселенной.

Правда, как признался исследователь, сам он считает, что темная материя скорее состоит и не из ALP: «Мне не нравятся сверхлегкие частицы — слишком уж они легкие, ведь кроме устойчивости такой маленькой массы хорошо было бы и объяснить ее величину. Но их тоже надо изучать, пока они не исключены, и мы изучаем.  Мне, к сожалению, наиболее вероятным вариантом кажется частица (или целый мир частиц), которая никак не взаимодействует с нашим миром, кроме гравитации, поэтому никак мы ее простыми методами не найдем. Красивый вариант, моя любимая темная материя — Q-шары из невзаимодействующего с обычным веществом и излучением поля. Но изучать и искать будем, конечно, не только любимую».

 Алексей Тимошенко