|
Новые телескопы могут пролить свет на темную материю
|
|
|
|
Планы НАСА по возвращению астронавтов на Луну в рамках программы «Артемида» и, в конечном итоге, отправке людей на Марс подчеркивают, насколько далеко продвинулось освоение космоса. Однако, хотя Луна и Марс остаются привлекательными местами, полными научных загадок, взгляд за пределы нашей Солнечной системы поднимает еще более глубокие вопросы о самой Вселенной.
|
|
|
|
Одной из самых больших загадок является материя — вещество, из которого состоит все вокруг нас. Удивительно, но большая часть материи во Вселенной невидима, и астрономы до сих пор не знают, что это такое.
|
|
|
|
Физики подсчитали, что около 85% всей материи состоит из чего-то, что мы не можем видеть, трогать или непосредственно обнаружить. Это неуловимое вещество известно как темная материя. Она не излучает свет, как звезды или галактики. Единственная причина, по которой ученые знают о ее существовании, — это ее гравитация.
|
|
|
|
Галактики вращаются слишком быстро, чтобы удерживаться вместе только видимой материей. Свет искривляется сильнее, чем ожидалось, при прохождении через космос. Галактики внутри скоплений пролетают мимо друг друга гораздо быстрее, чем следовало бы, исходя только из их видимой массы.
|
|
|
|
На основе данных со всего космоса учёные приходят к одному и тому же выводу: существует нечто невидимое, но чьё присутствие неоспоримо. Этот вопрос интригует астрономов, подобных нам, уже более 50 лет.
|
|
|
|
|
|
|
Так что же такое тёмная материя и почему она важна?
|
|
|
|
Недостающий элемент космической головоломки
|
|
|
|
Всё в нашем повседневном мире состоит из атомов, которые представляют собой комбинации протонов, нейтронов и электронов. Эти частицы образуют звёзды, планеты, людей и всё, что мы видим.
|
|
|
|
Учёные считают, что тёмная материя принципиально отличается. Вероятно, она состоит из совершенно новых типов частиц, которые ещё предстоит открыть. Понимание того, что это за частицы, заполнило бы важный пробел в научном понимании физики. Но значение тёмной материи выходит далеко за рамки физики элементарных частиц.
|
|
|
|
Тёмная материя сыграла решающую роль в формировании Вселенной. Вскоре после Большого взрыва, положившего начало рождению Вселенной, темная материя действовала как своего рода гравитационный каркас, помогая обычной материи объединяться, образуя первые галактики и звезды. Даже сегодня она действует как невидимый клей, удерживающий галактики вместе.
|
|
|
|
Другими словами, без темной материи Вселенная в том виде, в каком вы ее знаете, возможно, не существовала бы.
|
|
|
|
Поскольку темная материя не излучает свет, ученым приходится искать ее косвенным путем. Один из многообещающих подходов — поиск сигналов, которые она может производить при столкновении и уничтожении своих частиц в процессе, известном как аннигиляция.
|
|
|
|
Эта идея может звучать экзотично, но у нее есть знакомая аналогия. В медицинской визуализации такие устройства, как сканеры позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ), обнаруживают излучение, производимое при аннигилировании частиц антиматерии — позитронов — с электронами, которые являются обычной материей.
|
|
|
|
Антиматерия — это просто форма материи, состоящая из частиц, имеющих ту же массу, что и обычная материя, но противоположные заряды и квантовые свойства. Сигналы аннигиляции в ПЭТ-сканерах позволяют врачам картировать раковые ткани внутри человеческого тела.
|
|
|
|
Ученые надеются, что нечто подобное может произойти и с темной материей. Если частицы темной материи аннигилируют друг с другом, они могут производить высокоэнергетическое излучение, называемое гамма-лучами. Эти гамма-лучи могут действовать как «отпечатки пальцев», показывая, где сконцентрирована темная материя и каковы ее свойства.
|
|
|
|
Как астрофизики, изучающие гамма-лучи, мы и наши коллеги используем космические телескопы для поиска этих сигналов.
|
|
Загадочный сигнал в центре нашей галактики
|
|
|
|
Одним из самых мощных инструментов для этого поиска является телескоп Fermi Large Area Telescope НАСА, известный как Fermi-LAT, который наблюдает за гамма-излучением с 2008 года. Гамма-лучи — это самая энергичная форма света, и они образуются в результате некоторых из самых экстремальных явлений во Вселенной.
|
|
|
|
В течение многих лет Fermi обнаруживает необъяснимое свечение гамма-лучей, исходящее из центра Млечного Пути. На основе гравитационных наблюдений, таких как кривые вращения галактик, движения звезд и искривление света, в сочетании с космологическими моделями, астрофизики предполагают, что этот регион чрезвычайно богат темной материей, что делает его интересным местом для поиска сигналов аннигиляции.
|
|
|
|
Может ли это свечение быть свидетельством существования темной материи?
|
|
|
|
Возможно. Но есть осложнение: центр нашей галактики также насыщен более традиционными астрофизическими источниками гамма-излучения, такими как быстро вращающиеся нейтронные звезды, которые образуются в результате коллапса массивных звезд. Эти объекты могут производить гамма-лучи, имитирующие ожидаемый сигнал от темной материи.
|
|
|
|
В данный момент ученые не могут с уверенностью сказать, что именно вызывает это излучение. Сигнал может быть прорывным открытием, а может быть чем-то более обычным.
|
|
|
|
Чтобы помочь разгадать эту загадку, исследователи также изучают гораздо меньшие системы, известные как карликовые галактики, которые вращаются вокруг Млечного Пути. Эти галактики содержат темную материю, но относительно мало других источников гамма-излучения, что делает их более благоприятной средой для поиска сигналов, связанных с темной материей.
|
|
|
|
Пока что окончательного обнаружения не было.
|
|
|
|
Однако анализ, опубликованный в марте 2024 года нашей командой из Университета Клемсона, выявил признаки сигнала, исходящего из этих карликовых галактик, и обновленные результаты, собранные с тех пор, подтвердили эти выводы.
|
|
|
|
Используя последние данные Fermi-LAT в сочетании с обновленной переписью карликовых галактик и улучшенными оценками содержания в них темной материи, мы искали слабые сигналы гамма-излучения в популяции карликовых галактик. Это привело нас к обнаружению избытка гамма-излучения, на который также указывали более ранние исследования. Чем больше данных мы собрали, тем более значительным кажется этот избыток.
|
|
|
|
Пока что имеющихся доказательств недостаточно, чтобы утверждать об обнаружении темной материи, но они интригуют. Свойства этого сигнала также согласуются с тем, что ученые наблюдают в центре Млечного Пути. Если оба сигнала имеют одно и то же происхождение, аргументы в пользу существования темной материи станут еще сильнее.
|
|
Следующее десятилетие может стать решающим.
|
|
|
|
Для подтверждения сигнала темной материи потребуется больше данных и более совершенные приборы, работающие совместно.
|
|
|
|
Будущие наблюдения с помощью телескопа Fermi-LAT продолжат повышать чувствительность этих поисков. Кроме того, ожидается, что новые установки, такие как обсерватория Веры К. Рубин в Чили, обнаружат больше карликовых галактик для изучения исследователями.
|
|
|
|
Еще одна ключевая миссия — это спектрометр и имиджер Комптона НАСА (COSI), запуск которого запланирован на 2027 год. COSI предложит новый взгляд на гамма-излучение неба и может помочь разгадать несколько давних загадок. Среди этих загадок — ещё одно необъяснимое яркое свечение из центра галактики, возникающее при аннигиляции электронов и позитронов, подобно тому, как это происходит при ПЭТ-сканировании.
|
|
|
|
Несмотря на то, что сигнал аннигиляции был обнаружен более 50 лет назад, учёные до сих пор не знают, откуда берутся эти позитроны. Благодаря беспрецедентно детальному картированию этого излучения, COSI может помочь выявить источник свечения и определить, может ли оно быть связано с тёмной материей и другими необъяснимыми сигналами в Млечном Пути.
|
|
|
|
Эти усилия, наряду со многими другими текущими исследованиями, могут помочь определить, действительно ли учёные видят следы тёмной материи или что-то совершенно иное.
|
|
|
|
По мере того, как человечество продвигается всё дальше в космос, от Луны до Марса и дальше, новые миры ждут своего открытия. Параллельно с новой эрой освоения космоса, с каждым новым наблюдением учёные могут приближаться к ответу на один из самых фундаментальных вопросов физики.
|
|
|
|
Источник
|
