|
Поиски распадающейся темной материи
|
|
|
|
Ученые ищут "распадающуюся" темную материю (DDM), потому что она обладает уникальными сигнатурами, такими как специфические рентгеновские или гамма-лучи или сигналы нейтрино, которые не наблюдаются в обычной материи, потенциально раскрывая природу частиц темной материи, массу и взаимодействия, информацию, которая может пролить свет на структуру Вселенной. DDM - это теоретическая модель, в которой частицы темной материи не совсем стабильны, но медленно распадаются на протяжении огромных космических масштабов времени на более легкие частицы темной материи и/или безмассовые частицы, оставляя после себя гравитационные или электромагнитные сигналы.
|
|
В новом исследовании изучаются линии рентгеновского излучения
|
|
|
|
Теперь исследование, опубликованное в Astrophysical Journal Letters, демонстрирует, что эта форма темной материи потенциально может быть обнаружена в неопознанных линиях рентгеновского излучения в спектрах скоплений галактик.
|
|
|
|
"Восемьдесят пять процентов массы скоплений галактик приходится на темную материю, и мы можем хорошо смоделировать радиальное распределение темной материи", - отмечает доктор Мин Сун, профессор Колледжа естественных наук Университета Алабамы в Хантсвилле (UAH), входящего в систему Университета Алабамы, и автор-корреспондент проекта. "Таким образом, скопления галактик являются отличными целями для такого поиска, поскольку они богаты темной материей, и мы хорошо знаем массу темной материи в скоплениях".
|
|
|
|
|
|
|
Аспирант доктора Сан, Пратамеш Тамхане, также принимал участие в работе, которая является продолжением исследования 2014 года, проведенного выпускницей UAH доктором Эсрой Бюльбюль, которая в настоящее время является ведущим научным сотрудником по кластерным наукам и космологии в Институте Макса Планка.
|
|
|
|
Понимание рентгеновских спектров и методов детектирования
|
|
|
|
Линии рентгеновского излучения - это уникальные отпечатки пальцев элементов, которые проявляются в виде пиков в рентгеновском спектре, когда электроны переходят из более высоких энергетических оболочек в более низкие, высвобождая энергию в виде рентгеновских фотонов. Эти отчетливые спектральные линии указывают на присутствие тяжелых элементов, таких как железо, кремний и кислород, выброшенных из галактик, что позволяет астрономам составлять карты содержания элементов и измерять температуру и плотность газов, что помогает понять сложную физику этих массивных структур.
|
|
|
|
Неопознанная линия рентгеновского излучения, обнаруженная на частоте около 3,5 килоэлектронвольт (кэВ) в спектрах скоплений галактик, стала предметом интенсивных научных дискуссий как постоянная астрономическая аномалия. Ученые традиционно использовали устройства с зарядовой связью (ПЗС) - светочувствительные полупроводниковые чипы — для обнаружения слабых следов ионизирующих частиц, таких как тяжелые ионы или нейтрино, в этих спектрах, что позволяет им наблюдать траектории частиц, пытаясь обнаружить эту "неопознанную" линию излучения.
|
|
|
|
Исследователи для нового исследования вместо этого опирались на данные, собранные с помощью миссии рентгеновской визуализации и спектроскопии (XRISM), совместного космического телескопа, разработанного JAXA (Япония) и НАСА при поддержке Европейского космического агентства (ЕКА).
|
|
|
|
"Почти во всех предыдущих исследованиях использовались данные с ПЗС-матрицы, которая не обладала требуемым энергетическим разрешением для распознавания неопознанной линии", - объясняет Sun. "Теперь рентгеновский анализ позволяет получить спектры с высоким энергетическим разрешением, которые позволяют различить линию. Поскольку линейные сигналы очень слабы, мы объединили почти трехмесячные рентгеновские данные для такого поиска. Обнаружено много рентгеновских линий. Они происходят от известных атомов, таких как железо, кремний, сера и никель. Появляющиеся линии рентгеновского излучения, которые не находятся в известном положении атомных линий, являются кандидатами на линии распада DM, которые являются предметом данной работы."
|
|
|
|
Стерильные нейтрино и направления будущих исследований
|
|
|
|
Основным кандидатом на роль загадочной линии излучения является частица, называемая "стерильным" нейтрино. Нейтрино - это крошечные, почти безмассовые субатомные частицы, которые движутся со скоростью, близкой к скорости света, и практически не взаимодействуют с обычной материей, что имеет решающее значение для понимания Вселенной, несмотря на то, что их невероятно трудно обнаружить.
|
|
|
|
"Стерильное нейтрино - это гипотетический тип нейтрино, который взаимодействует с другими частицами только под действием силы тяжести, в отличие от трех известных "активных" нейтрино, которые также взаимодействуют посредством слабого взаимодействия", - отмечает Sun. "Существование стерильных нейтрино теоретически обосновано и может объяснить очень малую, но ненулевую массу обычных нейтрино. Стерильные нейтрино могут распадаться на два фотона с одинаковой энергией. Модели могут предсказать скорость распада стерильных нейтрино, которая затем зависит от имеющихся данных".
|
|
|
|
При рассмотрении будущего такого рода исследований слабовзаимодействующие массивные частицы, или WIMPs — гипотетические частицы, которые являются массивными, но взаимодействуют только посредством гравитации и слабого ядерного взаимодействия, — по-прежнему считаются одним из наиболее вероятных мест, где может скрываться темная материя. Но Sun быстро замечает, что изучение альтернативных возможностей по-прежнему имеет решающее значение для разгадки тайны.
|
|
|
|
"Слабаки по-прежнему являются ведущими кандидатами на роль темной материи, но были проведены эксперименты стоимостью в миллиарды долларов, которые только увеличивали верхние пределы, поэтому необходимо рассмотреть альтернативные сценарии. Это исследование дает самые строгие ограничения на основе данных с высоким энергетическим разрешением о стерильных нейтрино в диапазоне 5-30 кэВ, что впоследствии ограничивает модели для темной материи", - заключает исследователь UAHN. "С получением большего количества рентгеновских данных в ближайшие 5-10 лет или около того мы сможем либо обнаружить границу, либо существенно улучшить предел".
|
|
|
|
Источник
|
