Один из самых больших вопросов в научном мире сейчас вращается вокруг чего-то, что мы не можем видеть и не можем напрямую обнаружить каким-либо другим способом. Основываясь на движении галактик, астрономы знают, что должно быть что-то значительной массы, влияющее на их гравитацию, но они не знают, что это за вещество — и даже является ли оно вообще веществом. Они называют эту неизвестную силу темной материей.
Ученые обычно пытаются изучить темную материю, рассматривая Вселенную в большом масштабе. Идея состоит в том, что с помощью таких инструментов, как космический телескоп «Евклид», они смогут наблюдать за движениями далеких галактик и на основе этих движений вычислять массу и определять, сколько темной материи они содержат.
Однако у астрофизиков из Калифорнийского университета в Беркли другой подход, над которым они работают. Недавно в журнале Physical Review Letters была опубликована статья, в которой предлагается использовать близлежащую сверхновую для детального изучения темной материи.
Сверхновая — чрезвычайно драматичное событие, когда звезда подходит к концу своей жизни и у нее заканчивается топливо. Как только все топливо сгорает, звезда коллапсирует до крошечного ядра, а затем взрывается с огромным выбросом энергии. Это излияние энергии может быть ключом к пониманию темной материи, поскольку ученые ищут в этих экстремальных условиях доказательства существования теоретического типа частиц темной материи, называемого аксионом.
В поисках сверхновой
Ученые искали аксионы с момента их появления в 1970-х годах. Сегодня они представляют наибольший интерес, поскольку представляют собой наиболее многообещающую возможность существования «частиц темной материи».
Когда звезда становится сверхновой, она производит огромное количество аксионов, поэтому авторы статьи предлагают поискать ближайшую сверхновую, чтобы попытаться наблюдать за образованием этих аксионов с помощью мощного гамма-телескопа. Предыдущая сверхновая, названная сверхновой 1987А, произошла в галактике-спутнике Млечного Пути, называемой Большим Магеллановым Облаком. Гамма-телескоп наблюдал за сверхновой, но он был недостаточно мощным, чтобы запечатлеть то, что они искали.
«Если бы мы увидели сверхновую, такую как сверхновая 1987А, с помощью современного гамма-телескопа, мы смогли бы обнаружить или исключить этот аксион КХД, этот самый интересный аксион, на большей части пространства ее параметров — по сути, на всем параметре. пространство, которое невозможно исследовать в лаборатории, а также большую часть пространства параметров, которое можно исследовать в лаборатории», — объяснил один из авторов статьи Бенджамин Сафди из Калифорнийского университета в Беркли. «И все это произойдет в течение 10 секунд».
Проблема в том, что сверхновые трудно предсказать. Ученые могут сказать, когда звезда приближается к статусу сверхновой, но определить точное время, когда это событие произойдет, практически невозможно.
«Я думаю, что все мы, участвовавшие в этой статье, обеспокоены тем, что следующая сверхновая появится до того, как у нас будут подходящие инструменты», — сказал Сафди. «Было бы очень жаль, если бы завтра взорвалась сверхновая, и мы упустили бы возможность обнаружить аксион — она может не вернуться еще 50 лет».
Темная материя и аксионы
Хотя аксионов еще никто не наблюдал, есть веские основания полагать, что они должны существовать. «Кажется, почти невозможно создать последовательную теорию гравитации в сочетании с квантовой механикой, в которой не было бы таких частиц, как аксион», — сказал Сафди.
Тип, который интересует исследователей, называется аксионом КХД и назван в честь силы, называемой квантовой хромодинамикой. В статье исследователи предполагают, что гамма-лучи будут производиться во время вспышки сверхновой, когда аксионы улетают и преобразуются в лучи высокой энергии.
Исследователи использовали суперкомпьютеры для моделирования того, что произойдет во время вспышки сверхновой, и обнаружили, что должен произойти короткий, но значительный всплеск гамма-лучей всего за 10 секунд, когда звезда превращается в тип, называемый нейтронной звездой. Они смогли рассчитать массу, которую аксионы должны были бы обнаружить, что помогло им установить предел того, чего они могут ожидать от обнаружения этих частиц.
Они надеются использовать мощный гамма-телескоп, который в настоящее время находится на орбите, под названием Космический гамма-телескоп Ферми, для наблюдения будущей сверхновой.
«Наилучший сценарий для аксионов — это то, что Ферми поймает сверхновую. Просто вероятность этого невелика», — сказал Сафди. «Но если бы Ферми увидел его, мы смогли бы измерить его массу. Мы смогли бы измерить силу его взаимодействия. Мы смогли бы определить все, что нам нужно знать об аксионе, и мы были бы невероятно уверен в сигнале, потому что не существует обычной материи, которая могла бы создать такое событие».
