Рубрика: Астрофизика

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

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.

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!

Космический телескоп Джеймса Уэбба, возможно, обнаружил «темные звезды» – древние объекты, питающиеся таинственной темной материей

Первые звезды, вероятно, сильно отличались от тех, что мы видим сегодня. Большинство астрономов считают, что самые первые светила во Вселенной были большими — в сто раз массивнее Солнца — и очень яркими из-за ядерных реакций в своих недрах. Некоторые исследователи, однако, предполагают, что размер и светимость первого поколения звезд является результатом поглощения ими таинственной темной материй – формы материи, которая не взаимодействует со светом и является недоступной для прямого наблюдения. О том, что на просторах Вселенной могут существовать столь необычные объекты, напомнила космическая обсерватория Джеймс Уэбб – недавно астрономы опубликовали снимки трех древних и невероятно больших звезд, с помощью которых можно решить проблемы современной космологической модели и углубить наше понимание темной материи. К тому же, открытие нового типа звезд – событие само по себе интересное.

Открытие нового типа звезд само по себе довольно интересно, но открытие того, что их питает темная материя еще более грандиозно, – говорится в заявлении Кэтрин Фриз, соавтора исследования и известного астрофизика из Техасского университета.

Таинственные звезды и темная материя

Темная материя – это концепция в теоретической физике, а потому крайне сложна для изучения. Тот факт, что эта таинственная материя участвует только в гравитационном взаимодействии и не подлежит непосредственному наблюдению, лишь усложняет задачу. Ученые полагают, что она составляет примерно 27% Вселенной и объясняет как формируются галактики и звезды. Были также выдвинуты предположения о том, что темная материя состоит из слабо взаимодействующих массивных частиц (WIMP), которые аннигилируют при столкновении, выделяя тепло.

«Столкнувшись в облаке коллапсирующих атомов водорода, энергетические взаимодействия WIMP могут в конечном итоге привести к образованию огромной темной звезды», – объясняют исследователи. Согласно имеющимся оценкам, масса такой звезды может превышать солнечную в миллионы раз, а ее яркость – в десять миллиардов раз.

Если темные звезды действительно существуют, то могут объяснить формирование сверхмассивных черных дыр

Более того, темные звезды могут вырастать до поразительно больших размеров, затмевая обычные термоядерные звезды, подобные Солнцу. И если эти объекты действительно существуют, то могут объяснить ранее наблюдаемые крупные галактики, которые образовались в ранней Вселенной – считается, что на их формирование должно было уйти гораздо больше времени.

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

Выходит, темные звезды – гипотетические объекты, питающиеся темной материей, которая возникла примерно через 400 миллионов лет после Большого взрыва. При этом в случае коллапса такой звезды может образоваться сверхмассивная черная дыра, необходимая для формирования древних галактик.

Что именно обнаружил телескоп Джеймса Уэбба?

Астрономы, использующие крупнейшую космическую обсерваторию Джеймс Уэбб считают, что обнаружили таинственные темные звезды, о чем сообщили в работе, недавно опубликованной в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences. И хотя для подтверждения наблюдений требуется больше времени и доказательств, результаты нового исследования крайне интересны.

Все потому, что компоненты, необходимые для образования звезд, резко эволюционировали на протяжении истории Вселенной. Так, первые звезды образовались примерно через 200 миллионов лет после Большого взрыва из газовых облаков, состоящих почти полностью из водорода и гелия, а более тяжелые элементы появились позже, после нескольких циклов звездообразования.

Темные звезды – поколение первых светил во Вселенной

Отсутствие тяжелых элементов повлияло на то, как эти облака охлаждались и разрушались под действием гравитации. Модели предполагают, что газ в облаках со временем стал достаточно плотным и горячим, чтобы вызвать ядерный синтез (точно так же, как в современных звездах). Однако астрофизики предсказывают, что эти первые звезды – звезды третьей популяции – были чрезвычайно массивными и недолговечными.

Хотите всегда быть в курсе последних новостей из мира науки и технологий? Подписывайтесь на наш канал в Telegram – так вы точно не пропустите ничего интересного!

Астрономам еще предстоит непосредственно наблюдать звезды третьей популяции III, поэтому вопрос об их формировании остается открытым. В 2008 году Кэтрин Фриз из Техасского университета и ее коллеги предположили, что самые первые звезды подпитывались темной материей. По этой причине они не были уверены в том, будут ли эти объекты излучать достаточно света, чтобы стать видимыми, и назвали их «темными звездами».

Лишь спустя время астрономы подсчитали, что одна темная звезда может быть такой же яркой, как целая галактика. Название ”темная звезда» оказалось неправильным, но нам все равно понравилось, – говорит Фриз.

Согласно модели Фриз, темные звезды формируются в облаках, состоящих в основном из водорода, а доля темной материи в них составляет всего 0,1% от массы. Когда частицы темной материи сталкиваются друг с другом, то могут аннигилировать, высвобождая фотоны, электроны и другие частицы. Большинство этих побочных продуктов остаются в облаке, выделяя тепло и заставляя его светиться.

Объекты, обнаруженные космическим телескопом Джеймс Уэбб

“Темные звезды – теоретически интригующая идея”, – считает Джулиан Муньос, космолог из Техасского университета, который не принимал участия в новом исследовании. «Самоуничтожение – довольно общий признак многих моделей темной материи, в которых последняя состоит из слабо взаимодействующих массивных частиц», – говорит он.

Это интересно: Темная материя – ключ к теории гравитации?

Согласно модели Фриз, самоаннигиляция WIMP (частиц темной материи) была бы значительным источником энергии в газовых облаках ранней Вселенной с массами, примерно эквивалентными Солнцу. Получившиеся в результате темные звезды имели бы температуру поверхности около 10 000 К, достаточную для того, чтобы заставить их ярко светиться, но недостаточную для предотвращения накопления в них дополнительного вещества.

Именно эти сверхмассивные темные звезды, как утверждает Фриз и ее коллеги, обнаружили в данных, полученных с помощью космического телескопа Джеймс Уэбб. К настоящему моменту эта космическая обсерватория выявила более 700 объектов, относящихся к самой ранней эпохе звездообразования. На данный момент неясно, что это за объекты, поскольку данные недостаточно точны.

Данные, полученные с помощью космической обсерватории Джеймса Уэбба

Команда Уэбба, однако, выполнила последующие спектроскопические измерения на небольшой выборке этих объектов – пять из них были обнародованы, и, основываясь на анализе Фриз, три из пяти могут быть темными звездами.

Больше по теме: Когда во Вселенной появились первые звезды?

Ошибочная идентификация

Конечно, на камне пока ничего не высечено. По словам авторов исследования, их наблюдения за темными звездами на самом деле могут быть просто галактиками, что кажется более правдоподобным. «Более вероятно, что что-то в рамках стандартной модели нуждается в корректировке, потому что предлагать что-то совершенно новое, как это сделали мы, всегда менее вероятно», – объясняет Фриз.

Но если некоторые из этих объектов, которые выглядят как ранние галактики, на самом деле являются темными звездами, то наше моделирование формирования галактик лучше согласуется с наблюдениями, –отмечают исследователи.

Возможно в самом ближайшем будущем ученые смогут доказать существование темных звезд

Одним из способов однозначной идентификации этих объектов может стать сбор большего количества данных и спектральных особенностей предполагаемых темных звезд. Эти доказательства, вероятно, понадобятся для того, чтобы темные звезды привлекли внимание других астрономов.

Не пропустите: От облаков до компьютерной симуляции: как рождаются звезды?

Ну а сейчас Фриз и ее команда собираются продолжить наблюдения с помощью Уэбба, чтобы получить возможность подтвердить свои выводы, так что будем ждать новостей.