Мы могли бы приблизиться к пониманию тайны того, что такое темная материя, благодаря новым исследованиям физиков из Королевского колледжа Лондона.
Аксионы, впервые выдвинутые в 1977 году, представляют собой гипотетические частицы легкой массы, которые были предложены в качестве возможного претендента на роль темной материи из-за выделяемого ими тепла. Однако из-за диапазона размеров и масс, которые они могли иметь, их окончательная идентификация была затруднена.
В серии статей в журнале Physical Review D Лиина Чунг-Юкко, профессора Малкольм Фэйрберн, Юджин Лим, доктор Дэвид Марш и их коллеги предложили новый подход к обнаружению этой «чудо-частицы», которая могла бы объяснить как темную энергию , так и темную материю.
Профессор Малкольм Фейрберн объясняет: «Аксионы — одни из главных кандидатов на роль темной материи. Мы обнаружили, что они способны нагревать Вселенную так же, как сверхновые и обычные звезды, после того, как они слились в плотные сгустки. Вооружившись этими знаниями, мы знаем, что далеко больше уверенности, куда направить наши инструменты в поле, чтобы их найти».
Общая теория относительности Эйнштейна предполагает, что около 85% материала во Вселенной представляет собой темную материю — неизвестную форму материи, которую мы не смогли ни наблюдать, ни исследовать. Гравитационные эффекты, наблюдаемые в таких сценариях, как образование галактик , не имеют смысла в модели Эйнштейна, если только не существует большого количества материи, которую мы не можем видеть и которая не взаимодействует со светом или электромагнитными полями.
Аксионы являются претендентом на эту гипотетическую форму материи. Эти частицы малой массы должны присутствовать в очень больших количествах, чтобы объяснить недостающую массу в галактиках. Поскольку эти аксионы должны существовать в больших количествах, они также должны быть плотно упакованы в определенных областях, то есть подчиняться законам квантовой механики.
Это означало бы, что отдельные аксионы начнут действовать согласованно. Это означало бы, что в центрах галактик могут существовать большие скопления аксионной темной материи, также известные как «аксионные звезды».
Эти аксионные звезды могут стать нестабильными после определенного порога массы, взрываясь в электромагнитное излучение и фотоны — частицы света, как более подробно показано Лииной Чунг-Юкко. Ученые предполагают, что эти взрывы потенциально могли нагреть межгалактический газ , который существовал между галактиками во время, отделяющее Большой взрыв от образования первых звезд, через 50–500 миллионов лет после начала Вселенной.
Это изменит то, как будет выглядеть космическое фоновое излучение (CMB) — электромагнитное излучение, заполняющее все пространство, в этот период, которое ученые в настоящее время могут наблюдать с помощью радиоволн, используя метод, называемый измерением на расстоянии 21 см.
Ища таким образом сигналы о том, где взорвались аксионные звезды в ранней или современной Вселенной, ученые смогут использовать эти методы, чтобы отследить до сих пор ненаблюдаемый аксион и обнаружить источник некоторой, если не всей, темной материи.
Малкольм Фэйрберн сказал: «Когерентные аксионные звезды, даже те, которые относительно компактны, могут взорваться в ореол электромагнетизма и света. Знание того, какие структуры аксионная темная материя может формировать и ее влияние на окружающий межгалактический газ, может открыть новые способы его обнаружения.
«Возможность найти аксион, вероятно, поможет нам решить один из самых больших вопросов науки, который создавался более века, и поможет раскрыть историю ранней Вселенной».
Вычислив общее количество аксионных звезд во Вселенной и расширив их скрытый взрывной потенциал в межгалактическом газе, команда также предположила размер сигнала, который аксионные звезды будут излучать в реликтовом излучении. Это позволит измерениям на расстоянии 21 см точно классифицировать то, что происходит от аксионов, а что нет, что облегчит поиск.
Работа Кинга присоединилась к растущему хору научного сообщества, которое ищет аксион как главного претендента на темную материю, сказал Дэвид Марш: «Измерение 21 см обычно рассматривается как будущее космологии и роль, которую оно играет в поисках темной материи». аксион является основной причиной этого. В настоящее время ведется огромное количество поисков аксионов, включая такие проекты, как Dark Matter Radio. Сейчас очень, очень захватывающее время для того, чтобы быть астрофизиком».
