Примерно 60 лет назад начала оформляться теория тёмной материи как нерегистрируемого вещества, играющего главную роль в зарождении объектов во Вселенной. Согласно принятой в космологии модели лямбда-CDM, звёзды и галактики на заре времён образовались благодаря «кучкованию» тёмной материи и концентрации вещества вокруг её сгустков. Альтернативной теорией стала модель MOND с переменной гравитацией. «Уэбб», говорят сторонники MOND, играет на их стороне.

Источник изображения: NASA

Инфракрасная обсерватория им. Джеймса Уэбба далеко заглянула в раннюю Вселенную. Согласно модели Лямбда-CDM, первые галактики начали оформляться через 300–400 млн лет после Большого взрыва. В их формировании (и в зарождении звёзд) ключевую роль сыграла тёмная материя, благодаря которой обычное вещество собралось вместе и под действием гравитации сначала породило звёзды, а потом галактики, скопления галактик и сверхскопления галактик.

Если бы эта теория была верна, говорят сторонники модели MOND (Модифицированная ньютоновская динамика), то «Уэбб» увидел бы в ранней Вселенной слабые и тусклые галактики, которые превратились бы в яркие объекты намного позже — через миллиард и более лет после Большого взрыва. Вместо этого «Уэбб» раз за разом находит на рубеже 500–900 млн лет после Большого взрыва большие, яркие и развитые галактики, похожие, например, на Млечный Путь. Такое может объяснить только модель MOND, в которой не предусмотрен «костыль» в виде тёмной материи.

Чтобы подтвердить это, один из давних сторонников MOND — американский учёный Стейси Макго (Stacy McGaugh), провёл моделирование с учётом собранных «Уэббом» данных. Модель просчитала процесс роста множества галактик с учетом лямбда-CDM и MOND. Расчёт показал, что модель лямбда-CDM не смогла предсказать рост галактик до наблюдаемых «Уэббом», а MOND справилась с этой задачей ощутимо лучше. По мнению учёного, это доказывает, что поиски тёмной материи — пустое дело. Необходимо искать признаки MOND — изменений гравитации в зависимости от скоростей объектов.

Франко-швейцарская группа учёных попыталась на фактическом материале проверить верность уравнений Эйнштейна, описывающих Вселенную. Для этого они воспользовались данными обзора Dark Energy Survey за первые три года наблюдений. Анализ влияния 100 млн галактик на пространство-время дал отклонения от предсказаний Эйнштейна на 3 сигма, чего недостаточно для открытия, но хватило для зарождения сомнений в верности уравнений великого учёного.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.1/3DNews

Как предсказал в 1915 году Эйнштейн, гравитация — это нечто большее, чем сила всеобщего тяготения, о чём говорил Ньютон и его законы. В 1919 году в ходе прямого измерения отклонения света звёзд Солнцем (его гравитацией) уравнения Эйнштейна были подтверждены наблюдением. С тех пор только ленивые учёные не пытаются опровергнуть Альберта Эйнштейна, который ввёл в метрику гравитации искажение не только пространства, но и времени. Пока уравнения Эйнштейна, являющиеся частью Общей теории относительности, остаются незыблемыми.

Исследователи из университетов Женевы (UNIGE) и Тулузы (III университет имени Поля Сабатье) воспользовались первыми данными обзора Dark Energy Survey, чтобы проверить уравнения Эйнштейна с помощью наблюдений за 100 млн галактик. Данные получены по объектам на удалении 3,5, 5, 6 и 7 млрд лет назад. По словам учёных, это первый анализ данных о влиянии масс галактик одновременно на пространство и время.

Согласно теории Эйнштейна, материя создаёт искривление пространства-времени тем больше, чем больше масса. Обычно это иллюстрируют помещением тяжёлого шара на эластичную поверхность, которую тот продавливает тем сильнее, чем он тяжелее — это принято называть гравитационными колодцами. Следует лишь помнить, что материя искажает пространство во всех направлениях в трёх измерениях, поэтому колодец на самом деле — это, скорее, шар или шарообразный объём в пространстве-времени. Но это детали. Из уравнений Эйнштейна можно рассчитать, насколько свет преломится — произойдёт гравитационное линзирование, когда он минует скопления масс. И если в этих расчётах появится отклонение от наблюдаемых, то Вселенная может оказаться совсем не такой или не везде такой, как предсказывал Эйнштейн.

Из данных Dark Energy Survey учёные вывели, что на удалении 6 и 7 млрд лет от нас уравнения Эйнштейна, можно сказать, безупречны. На удалении 3,5 и 5 млрд лет от нас появились отклонения между наблюдениями и расчётами. Отклонения составили 3 сигма, тогда как значимым результатом принято считать отклонения в 5 сигма. По мнению исследователей, существенные отклонения результатов наблюдений от предсказаний заставляют усилить интенсивность работ на этом направлении. Отличия стали наблюдаться на этапе, когда Вселенная начала ускоренно расширяться. «Гравитационные колодцы» на этом отрезке стали мельче — гравитация стала слабее проявлять себя.

За ускоренное расширение Вселенной отвечает тёмная энергия — неизвестная субстанция или свойство Вселенной, а может быть, даже, гравитация, раз изменения начали наблюдаться в связи друг с другом. Уравнения Эйнштейна описывают нашу Вселенную (Вселенная Фридмана) и любые другие версии Вселенных. Обнаружение в них изъяна стало бы открытием огромного значения и помогло бы ответить на много вопросов об устройстве мироздания.

Известно, что потерянные ключи удобнее всего искать под фонарём, а не там, где их потеряли. Примерно так можно охарактеризовать метод поиска тёмной материи, предложенный физиком Политехнического университета Виргинии (Virginia Tech) Всеволодом Ивановым. Учёный разработал методику обнаружения следов тёмной материи в земных породах возрастом миллиарды лет без ускорителей, космических телескопов и других приборов наблюдения за Вселенной.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.1/3DNews

Следы тёмной материи можно найти в земной лаборатории в комфортных, в общем-то, условиях. Как под пресловутым фонарём. Строго говоря, эта идея палеодетектирования возникла лет сорок назад. Но тогда её было невозможно реализовать в виде эксперимента. Учёные предположили, что на этапе формирования Земли её породы, так или иначе, взаимодействовали с тёмной материей. Следует сразу сказать, что таким образом исследователи намерены искать следы гипотетической частицы вимп (WIMP).

Вимпы, если они существуют в природе как воплощение тёмной материи, взаимодействуют с материей гравитацией и слабым ядерным взаимодействием. Именно последнее даёт шанс обнаружить следы вимпов. При взаимодействии с материалами земных пород на этапе формирования нашей планеты вимпы оставили бы след в их кристаллических решётках, создавая в них характерные дефекты. Эти дефекты можно попытаться выявить с помощью визуализации и 3D-моделирования. Наиболее перспективным методом оказался метод микробиологической визуализации, которая используется для моделирования мельчайших деталей нервной системы животных.

Ещё одной проблемой стала радиация. Древние породы сильно фонят, создавая сигналы, которые маскируют потенциальные следы взаимодействия тёмной материи с атомами и ядрами пород. Чтобы обойти эту трудность учёные предложили исследовать слаборадиоактивные осадочные породы галиты. К таким породам, например, относится обычная каменная соль.

«Команда уже приступила к созданию 3D-изображений треков частиц высокой энергии в синтетическом фториде лития. Из этого искусственного кристалла не получится хорошего детектора тёмной материи, но он поможет установить полный спектр сигналов, сохранив кристалл неповрежденным», — сказал Патрик Хубер (Patrick Huber ), физик из Virginia Tech.

Новая работа международной группы астрономов привела к сенсационному выводу: наука до сих пор имела в корне неправильное представление о природе тёмной материи. Большинство моделей тёмной материи предполагает, что она взаимодействует с обычным веществом лишь в пределах гравитации. Наблюдение за шестью сверхкомпактными карликовыми галактиками недалеко от нас показало, что тёмная материя ещё как-то воздействует на вещество.

Симуляция распределения тёмной и обычной материи. Источник изображения: Коллаборация TNG

Невидимой в космосе может быть и обычная материя. Особенность тёмной материи в том, что она никак не взаимодействует с электромагнитным излучением: не поглощает, не отражает и не рассеивает его. Поэтому тёмную материю нельзя обнаружить ни в одном диапазоне, доступном земной науке. Только гравитация больших облаков тёмной материи помогает заподозрить её присутствие в пространстве — она преломляет проходящий рядом свет, как линза.

Но для эволюции Вселенной, галактик и всего остального материального мира тёмная материя необходима, как воздух человеку. Во времена младенчества Вселенной она инициировала концентрацию вещества и способствовала рождению сначала звёзд, а затем галактик. Тёмная материя присутствует повсеместно, но это не делает её легко обнаруживаемой. Однако теперь появился шанс поискать внимательнее. Новое наблюдение заставляет предположить, что тёмная материя взаимодействует с обычным веществом каким-то иным способом, помимо гравитации.

Учёные провели детальный обзор шести сверхкомпактных карликовых галактик, соседствующих с Млечным Путём. Поскольку масса этих галактик была явно больше, чем масса обнаруживаемых в них звёзд, это указывало на присутствие в них тёмной материи. Идея заключалась в том, что расположение звёзд в галактиках будет различаться в зависимости от того, взаимодействуют они с тёмной материей только через гравитацию или также каким-то другим, неизвестным нам способом.

Разница в распределении звёзд по галактике в случае наблюдения (обозначено синим) и если бы тёмная материя никак кроме гравитации не воздействовала на вещество (оранжевым)

Если бы тёмная материя воздействовала на звёзды исключительно посредством гравитации, часть звёзд собралась бы в центре галактик плотной группой, а на периферии наблюдалось бы значительное разрежение. Однако, если бы тёмная материя и обычное вещество испытывали дополнительное воздействие друг на друга, звёзды распределились бы более равномерно по всему диску галактики. В этом случае что-то могло бы препятствовать их скапливанию ближе к центру. Наблюдения за реальными галактиками как раз и показали, что звёзды распределились по галактикам равномерно. Иначе говоря, тёмная материя воздействует на обычное вещество не только посредством гравитационного притяжения.

Это открытие даёт основание для разработки экспериментов по обнаружению других видов взаимодействия тёмной и обычной материи, помимо гравитации. Не исключено, что ранее эта возможность не рассматривалась всерьёз большинством учёных, и в этом направлении работали лишь энтузиасты. Теперь появилась интрига, которая способна разжечь интерес научного сообщества к поиску ответов на загадки тёмной материи в новом направлении.

Тёмная материя проявляет себя лишь в гравитационном взаимодействии, что делает её невидимой в электромагнитном спектре. Можно ли раскрыть её секреты, не получая данных о тёмном веществе напрямую? В этом могут помочь пульсары, уверены учёные. Радиоволновые импульсы от этих природных часов распространяются по кривизне пространства-времени и реагируют на гравитационные возмущения от сгустков тёмной материи.

Художественное представление пульсара. Источник изображения: NASA Goddard/Walt Feimer

Исследователи из Университета Нотр-Дам (США) изучили 65 пульсаров из каталога Parkes Pulsar Timing Array, данные по которым собирает одноимённая радиообсерватория в Австралии. Идея заключалась в том, что искривление пространства-времени под воздействием сгустка тёмной материи внесёт задержку в радиоимпульс какого-либо пульсара. Эту задержку длительностью в несколько наносекунд мы можем измерить с использованием атомных часов на Земле и собранных данных о пульсарах, которые служат своеобразными маяками во Вселенной и невообразимо точны для нашего масштаба времени.

Пульсары — это нейтронные звёзды, ядра умерших массивных звёзд, многократно больше нашего Солнца. Если они при осевом вращении направляют полюса в сторону Земли, то мы фиксируем радиоимпульс от выброса энергии. Массы вещества на пути радиоимпульсов — обычного и тёмного — искривляют пространство-время и делают путь радиолуча длиннее, как если бы он двигался не по прямой, а по окольному пути. В приходе импульса возникает задержка, которая позволяет судить о массе, вызвавшей возмущение пространства-времени. И если в том месте пространства нет видимого объекта, например, звезды или скопления звёзд, то там может скрываться невидимая тёмная материя.

В данных о 65 пульсарах учёные обнаружили 12 обнадёживающих аномалий, которые указывали на изменения и задержки во времени пульсаров, ранее зафиксированные радиотелескопом. Земля, Солнце и пульсары очевидным образом постоянно движутся в пространстве, создавая всё новые и новые условия для наблюдений. Все изменения в длительности импульсов пульсаров создают образ пространства-времени между этими объектами, который учёные пытаются расшифровать.

Визуализация гравитационных волн, производимых сверхмассивными чёрными дырами. Источник изображения: nanograv.org

Данная работа имеет также другое значение. Примерно год назад впервые была подтверждена регистрация низкочастотных гравитационных волн — своеобразной ряби пространства-времени во Вселенной. Это почти как решётка пространства-времени, которая как и реликтовое излучение может дать информацию о процессах вскоре после Большого взрыва и более поздних. Данные о задержках сигналов пульсаров могут помочь исключить гравитационный шум — помехообразующее воздействие тёмной материи на эту рябь, что повысит точность измерений других явлений, таких как слияние чёрных дыр на заре Вселенной и процессы с первичными чёрными дырами.

Группа британских учёных обосновала возможность обнаружения частиц тёмной материи на Земле в лабораторных условиях. Для этого они рассмотрели модель квантового детектора и усилителя, охлаждённых жидким гелием-3. До сих пор частицы тёмной материи искали в диапазоне от 5 до 1000 масс атомов водорода. Британская установка поможет обнаружить кандидатов в тёмную материю в диапазоне от 0,01 до нескольких масс атома водорода.

Источник изображения: Lancaster University

Искать невидимую и не обнаруживаемую в электромагнитном спектре частицу тёмной материи можно по её взаимодействию с обычной материей. Но это будет крайне слабое взаимодействие, которое, как показывает моделирование, доступно для детектирования датчиками с квантовыми состояниями. Чрезвычайная чувствительность установки будет достигнута за счёт трёх факторов: охлаждения гелием-3 в сверхтекучем состоянии, самого датчика и квантового усилителя сигнала. Расчёты показывают, что установка сможет обнаружить частицы-кандидаты в тёмную материю вплоть до 0,01 масс атома водорода.

Более того, предложенная схема эксперимента может позволить найти ещё более лёгкого кандидата в частицы тёмной материи — аксион. Аксионы должны быть в миллиард раз легче атомов водорода и поэтому их поиск ведётся по иной программе. Предполагается, что в сильном электромагнитном поле аксионы распадаются на фотоны, которые можно детектировать привычными средствами и затем усиливать этот сигнал.

С учётом теоретической плотности расположения тёмной материи во Вселенной и вокруг нас, через наши тела ежесекундно пролетают триллионы частиц этой невидимой субстанции. Не нужно лететь в глубины Вселенной для поиска тёмной материи. Просто подождём, и она сама попадёт в сети учёных. С «сетями» пока проблема. Возможно, в этом поможет создаваемая в Великобритании установка с охлаждёнными квантовыми детекторами.

Тёмная материя — гипотетическая частица, обладающая только гравитационным взаимодействием, — призвана заполнить пробелы в наблюдениях Вселенной, когда звёзды и материя в целом ведут себя неправильно с позиций измеряемых масс: ускоряются на периферии галактик и преломляют свет без видимого присутствия вещества. Альтернатив у тёмной материи тоже немало, но новая гипотеза может удивить — она отвязывает массу от гравитации, объясняя всё дефектами в пространстве-времени.

Источник изображения: NASA/JPL-Caltech

Некоторое время назад в престижном астрономическом журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society вышла работа доктора Ричарда Лью (Richard Lieu) из Университета Алабамы в Хантсвилле (США), в которой он предложил достаточно свежую гипотезу наблюдаемых несоответствий. Учёный представил не до конца проработанный математический аппарат, который, как он пояснил, выдвигает на роль тёмной материи топологические дефекты или складки пространства-времени, возникшие из-за неоднородностей Вселенной во время фазового перехода топологии пространства-времени при разделении фундаментальных взаимодействий.

В частности, на этом этапе могли образоваться такие одномерные линейные топологические дефекты пространства-времени, которые известны как космические струны, которые достаточно давно и обоснованно поддержаны серьёзными математическими выкладками. Американский физик предположил существование других 2D-структур-дефектов — в виде сфер с нулевой гравитацией.

«Топологические дефекты представляют собой очень компактные области пространства с очень высокой плотностью вещества, обычно в виде линейных структур, известных как космические струны, хотя также возможны 2D-структуры, такие как сферические оболочки, — пояснил автор работы. — Оболочки в моей статье состоят из тонкого внутреннего слоя с положительной массой и тонкого внешнего слоя с отрицательной массой; общая масса обоих слоев — это всё, что можно оценить с точки зрения массы — в точности равна нулю, но когда звезда лежит на этой оболочке, она испытывает большую гравитационную силу, притягивающую её к центру оболочки».

Учёный представляет сферические топологические дефекты как вложенные друг в друга сферы. Они не имеют массы, но гравитационно воздействуют как на видимую материю, так и на свет. Не исключено, что предложенная концепция не может полностью исключить присутствие тёмной материи, но она значительно умаляет её роль.

Мы наблюдаем во Вселенной круги и арки протяжённостью в тысячи и сотни тысяч световых лет, поясняет автор, это может служить зримым доказательством присутствия в пространстве топологических дефектов сферической формы. В то же время учёный не сделал попытки объяснить в своей статье, как формируются складки пространства-времени сферической формы. Он также не предложил способ попытаться обнаружить их во Вселенной. Всё, что на сегодня есть — это сырой математический аппарат, который можно критиковать и развивать, что, на самом деле, уже немало.

Группа физиков из Массачусетского технологического института подвела основу под теорию идентичности тёмной материи и первичных чёрных дыр. Сделано это оригинальным образом — за счёт внедрения в процесс новых элементов — экстремально маленьких экзотических чёрных дыр с цветовым зарядом. Исследователи доказали, что влияние этих экзотических дыр на первичные чёрные дыры было достаточным для последующего обнаружения. Осталось найти эти следы.

Источник изображения: Kaća Bradonjić

Полвека назад физик Стивен Хокинг (Stephen Hawking) предположил, что тёмная материя — это проявление влияния рассеянных по Вселенной первичных чёрных дыр — объектов «размером с атом и массой астероида». Они невидимы, но их гравитация искажает пространство-время и притягивает к себе обычное вещество, порождая в процессе звёзды, галактики и всё-всё-всё. Тем самым вместо поиска экзотического тёмного вещества (тёмной материи), нам следовало бы уделить всё внимание поискам первичных чёрных дыр.

Предполагается, что первичные чёрные дыры образовались через одну квинтиллионную долю секунды (10^-18) после Большого взрыва. Они коллапсировали из сверхплотного в те мгновения вещества и затем рассеялись во Вселенной. Как теперь установили физики из MIT, за доли мгновений до зарождения первичных чёрных дыр и отчасти одновременно с их формированием родились ещё более экзотические и микроскопические чёрные дыры «размером с протон и массой носорога».

Эти экзотические дыры испарились также быстро после своего рождения, но они могли воздействовать на образование первичных чёрных дыр и этот след, теоретически, можно будет обнаружить, доказали учёные. Поскольку микроскопические чёрные дыры могли образоваться лишь из кварк-глюонной плазмы, то они приобрели бы свойственный этим субэлементарным частицам экзотический цветовой заряд. Именно влияние этого заряда, который не мог появиться у обычных чёрных дыр даже первичных, поскольку в процессе «сборки» обычные чёрные дыры приобрели бы нейтральный заряд, должно было оставить память о появлении ещё более экзотических чёрных дыр сразу после Большого взрыва.

Обнаружение этих следов, существование которых физики доказали лишь теоретически, поможет доказать происхождение тёмной материи, как следствие влияния на мир первичных чёрных дыр. Фактически, учёные заменили одну экзотику другой. Осталось только определить, какая из версий соответствует реальному положению дел.

«Несмотря на то, что этих короткоживущих экзотических объектов сегодня поблизости нет, они могли повлиять на космическую историю способами, которые могут проявляться в малозаметных сигналах сегодня, — пояснил Дэвид Кайзер (David Kaiser), профессор физики Массачусетского технологического института. — В рамках идеи о том, что вся тёмная материя может быть образована чёрными дырами, это дает нам новые возможности для поиска».

Астрофизики из Исследовательского центра ранней Вселенной (RESCEU) и Института физики и математики Вселенной им. Кавли (Kavli IPMU, WPI) Токийского университета представили новую модель эволюции первичных чёрных дыр. Эти миниатюрные объекты, как считается, могли бы играть роль тёмной материи, став своего рода центрами кристаллизации вещества и инициаторами появления всего в нашей Вселенной — звёзд, галактик и прочего. Японцы в этом усомнились.

Коротковолновые события ПЧД с сильнейшей амплитудой могли влиять на реликтовое излучение. Источник изображения: ESA

Согласно распространённой в научной среде гипотезе, первичные чёрные дыры возникли на этапе после Большого взрыва в процессе быстрого (инфляционного) расширения Вселенной, когда из объекта меньше атома она расширилась на 25 порядков. В процессе этого Вселенная перестала быть однородной. Сегодня мы наблюдаем следы этой неоднородности в виде реликтового излучения — космического сверхвысокочастотного микроволнового фона. Изучение слабых отклонений в реликтовом излучении может дать подсказку о происходящих 13,8 млрд лет назад процессах на самых ранних его этапах. Именно этим занялись исследователи из Японии.

Учёные применили к наблюдаемым данным хорошо изученную квантовую теорию поля. Эта теория помогает нам разбираться с поведением элементарных частиц, что также хорошо согласуется с измерениями. Перенос квантовой теории поля на космологию показал, что первичные чёрные дыры (ПЧД) должны были оказывать измеряемое влияние на реликтовое излучение. Сами по себе они неспособны влиять на сверхвысокочастотные волны, но в достаточном количестве первичные чёрные дыры должны были бы в отдельных случаях оказать когерентное влияние на микроволновый фон — усилить амплитуду отдельных волн излучения.

Если бы первичных чёрных дыр во Вселенной было много, то отклонений в показаниях реликтового излучения было бы намного больше. Тогда, в частности, первичные чёрные дыры можно было бы рассматривать в качестве кандидатов на роль тёмной материи. Но этого не наблюдается, и квантовая теория поля хорошо объясняет, почему это так. Сейчас учёные ожидают новых данных наблюдений гравитационно-волновых обсерваторий LIGO в США, Virgo в Италии и KAGRA в Японии, которые, в том числе, находятся в разгаре поисков следов первичных чёрных дыр. И у них есть немалые шансы получить подтверждение своей модели.

На днях вышли первые научные работы по раннему циклу наблюдений за небом космической обсерваторией «Евклид» (Euclid). Этот созданный Европейским космическим агентством инструмент представил Вселенную в новом свете — его приборы одновременно улавливают видимый и инфракрасный свет, что позволяет делать «резкие» снимки на большую глубину вплоть до 10 млрд световых лет. Подобная детализация — это ключ к пониманию тёмной материи и тёмной энергии.

Туманность Конская Голова в созвездии Ориона. Источник изображений: ЕКА

Строго говоря, все представленные сегодня изображения космических объектов ЕКА уже показывало в прошлом году. Но тогда это был беглый обзор, который сегодня подкреплён прочным научным анализом. И это не только работы по поиску тёмной материи и признаков тёмной энергии. Высокая чувствительность «Евклида» в расширенном диапазоне приёма света, а также более широкий, чем у «Хаббла» и «Уэбба» обзор позволяют новому европейскому космическому инструменту делать множество других открытий. Например, телескоп способен улавливать тусклые объекты — блуждающие планеты и коричневых карликов.

Галактика NGC 6744 с зонами зарождения звёзд

Но основная задача «Евклида» — это поиск и картирование скоплений тёмной материи во Вселенной, и изучение эволюции её скоплений во времени, что даст подсказку к оценке такого необъяснимого пока явления — как тёмная энергия и ускоренное расширение Вселенной.

Сильное гравитационное линзирование позволит идентифицировать объёмы и массы тёмной материи, а слабое — отследить эволюцию «тёмных сгустков» на протяжении 10 млрд лет эволюции Вселенной. Широкое поле охвата «Евклида» позволит сделать это с максимально возможной сегодня точностью.

Детализированное изображение области звездообразования Мессье 78

К 2030 году, как ожидается, «Евклид» составит подробную карту распределения тёмной материи по Вселенной и во времени примерно на 30-% участке неба. К этому времени к нему присоединятся широкоугольные космические «супертелескопы» NASA им. Нэнси Грейс Роман и китайский «Сюньтянь». Эти инструменты восполнят пробелы в наблюдениях «Евклида», которые неизбежны для любого прибора. Но это будет уже другая история.

Космическая обсерватория им. Джеймса Уэбба помогла сделать ещё одно интересное открытие или вернее будет сказать предположение. В процессе наблюдения за галактикой JWST-ER1g на удалении примерно 3,7 млрд лет после Большого взрыва выяснилось, что она может содержать намного более плотную тёмную материю, чем обычно. Учёные доказали это используя моделирование и данные наблюдений и это редкий шанс взглянуть на мифическую субстанцию под новым углом.

Сделавшие открытие американские физики из Калифорнийского университета в Риверсайде

Галактика JWST-ER1g была открыта «Уэббом» в сентябре 2023 года. Она оказалась идеальным примерном кольца Эйнштейна — явления гравитационного микролинзирования, когда дальний объект оказывается размазан по кольцу вокруг гравитационной линзы. Определив этот далёкий объект и учтя все другие параметры можно вычислить силу гравитационной линзы. В данном случае это означает, что галактика JWST-ER1g может быть взвешена и оценена как с позиции массы видимого вещества, так и с точки зрения находящейся в ней массы тёмной материи. Сложив одно и другое, должна получиться сила, преломляющая свет в соответствии с известными нам законами.

Наблюдения и расчёты показали, что свет от далёкого объекта преломляется сильнее, чем это допускала бы масса видимого вещества и расчётная масса тёмной материи в составе гало галактики JWST-ER1g. Поскольку с видимым веществом — звёздами и газом — всё просто, то выходит, что тёмной материи в гало JWST-ER1g явно больше, чем это допускают наиболее распространённые гипотезы и образованное галактикой гало. Сложившаяся ситуация позволила учёным предположить и позже математически доказать, что тёмная материя в галактике JWST-ER1g уплотнилась под воздействием видимого вещества и самой тёмной материи.

Это сделало случай наблюдения за JWST-ER1g уникальным и удобным для дальнейшего изучения свойств тёмной материи, которой, по принятым расчётам, примерно 85 % от всего находящегося во Вселенной вещества.

Учёные впервые испытали новую установку по поиску тёмной материи — гипотетической частицы, которая как бы цементирует обычное вещество, не даёт ему разлетаться. Согласно теории, только благодаря ей во Вселенной появились звёзды, галактики и мы с вами. Первый запуск установки BREAD принёс результат. Это не привело к открытию новой частицы, но ограничения на её характеристики удалось сделать строже на два порядка, а это уже шаг вперёд.

Источник изображений: BREAD Collaboration /Ralf Kaehler/SLAC National Accelerator Laboratory

Установка BREAD (Broadband Reflector Experiment for Axion Detection) или, по-русски, эксперимент с широкополосным отражателем для обнаружения аксионов, создана совместно учёными Чикагского университета и Лаборатории Fermilab Министерства энергетики США. Устройство компактное, помещается на столе и работает при комнатной температуре и в этом его прелесть. Стоит недорого, а работать можно в комфортных условиях. По крайней мере, пока.

Дело в том, что BREAD разработан для поиска двух кандидатов в тёмную материю: тёмных фотонов и аксионов. Обе эти частицы гипотетические, но достаточно широко используются для разработки альтернативных теорий. Первый эксперимент был направлен на поиск тёмных фотонов. Для обнаружения аксионов установка будет помещена в сильнейшее магнитное поле (предполагается, что аксионы в сильном поле распадаются на обычные фотоны). Для такого эксперимента BREAD поедет в Аргоннскую национальную лабораторию, где есть необходимые источники электромагнитного поля.

Экспериментальная установка BREAD — это малошумящая приёмная система в виде коаксиальной рупорной антенны. На антенну фокусируется сигнал в виде обычного фотона, который образуется перпендикулярно стенке цилиндра при попадании на его внешнюю сторону тёмного фотона. Антенна передаёт сигнал в приёмник, где происходит усиление, понижение частоты и регистрация. Фактически это «радио для тёмной материи», в поисках которой одновременно сканируется 100 тыс. «радиостанций».

Источник изображения: Physical Review Letters

Первый запуск BREAD не позволил обнаружить тёмные фотоны в диапазоне отслеживаемых масс от 44 до 52 мкэВ (10,7–12,5 ГГц). Однако на основании собранных за 24 дня наблюдения данных учёные смогли превзойти существующие ограничения на их характеристики примерно на 2 порядка, обосновав фактами самое строгое ограничение для тёмных фотонов в диапазоне ниже 49 мкэВ, о чём была опубликована работа в журнале Physical Review Letters.

В декабре 2023 года сообщалось, что в Китае запущен новый научный объект — самая глубокая в мире лаборатория для поиска тёмной материи и других открытий. На днях в журнале Nature вышла статья, из которой стало известно больше подробностей о готовящихся там экспериментах. На глубине 2400 м установлены датчики с кратно повышенной чувствительностью для детектирования кандидатов в элементарные частицы тёмного вещества.

Источник изображения: Xinhua

Первая очередь детекторов в подземной лаборатории в горном массиве Цзиньпин в Китае — в тоннелях построенной там гидроэлектростанции — была запущена в 2010 году. Тогда же стартовали две экспериментальные установки: CDEX (China Dark Matter Experiment) и PandaX (Particle and Astrophysical Xenon Detector).

Детектор CDEX представляет собой твердотельный полупроводниковый датчик в виде 10 кг чистого германия в кристаллическом состоянии. Считается, что 10 кг чувствительной среды способно уловить одно событие в год. Датчик CDEX призван улавливать гипотетические WIMP-частицы (Weakly Interacting Massive Particles) в нижнем диапазоне масс.

Частицы тёмной материи или тёмного вещества, что правильнее с точки зрения определения природы этого явления, могут взаимодействовать с другими частицами только с помощью гравитации. Возможны редкие столкновения с передачей энергии атомам датчиков, что проявится в виде свечения. По интенсивности свечения и траектории можно вычислить параметры исходной частицы.

Поскольку Земля в своём орбитальном и галактическом движении должна пересекать потоки тёмной материи, то рано или поздно эти частицы проявят себя в детекторах. По мере создания новых датчиков и условий обнаружения мы постепенно создаём новые граничные условия физических состояний, которые могут соответствовать неуловимым и невидимым в электромагнитном диапазоне частицам тёмной материи.

Источник изображения: Liu Weiping et al. / EPJ Web of Conferences

Новый полупроводниковый датчик из германия в только что запущенной лаборатории CJPL-II (China Jinping Underground Laboratory-II) имеет массу около 100 кг, что на порядок повысило частоту возможной регистрации кандидатов в частицы тёмной материи. При этом созданы условия для дальнейшего повышения массы полупроводникового датчика примерно до одной тонны. Когда он будет создан, Китай окажется в этом впереди планеты всей.

Второй эксперимент опирается на датчик из ксенона, находящегося в двух фазовых состояниях — жидком и газообразном. Эксперимент PandaX стартовал со 120 кг. В новых залах лаборатории CJPL-II масса вещества в датчике PandaX-4T повышена до 4 т и в будущем вырастет до 40 или даже до 50 т. Сегодня самый чувствительный датчик такого плана у итальянцев в проекте LNGS XENONnT — он включает 8,6 т. В американском проекте LUX-ZEPLIN масса ксенона достигает 7 т. Для подобных экспериментов крайне важна повторяемость, чтобы отсеять случайные срабатывания детекторов.

Источник изображения: Science China Press

В подземной лаборатории CJPL-II в Китае намного лучшие условия для экранирования датчиков от воздействия космических частиц. Также мрамор в китайских шахтах меньше фонит, чем в Европе и США, что также упрощает конструкцию и эксплуатацию датчиков. Неуловимой тёмной материи будет всё труднее и труднее скрываться от учёных и со временем они откроют, в чём её секрет.

Около 50 лет назад стало понятно, что галактики заполнены неким невидимым веществом, которое как бы цементирует всё, что мы в них наблюдаем. Это вещество стали называть тёмным, поскольку оно не видимо в электромагнитных диапазонах и воздействует на окружение только гравитацией. Благодаря обилию тёмного вещества в галактиках орбитальные скорости вращения звёзд не уменьшаются по мере удаления от их центров. Но с Млечным Путём оказалось всё не так просто.

Вид на нашу галактику с Земли приборами «Гайи» и не только. Источник изображения: ESA/Gaia/DPAC

Учёные из Массачусетского технологического института провели собственный анализ распределения скорости звёзд в нашей галактике в зависимости от их удалённости от центра Млечного Пути. Используя данные европейского астрометрического спутника «Гайя» (Gaia) и данные исследования неба с помощью наземного телескопа SDSS Обсерватории Апач-Пойнт на спектроскопическом оборудовании Apache Point Observatory Galaxy Evolution Experiment (APOGEE) учёные выяснили, что внутренняя часть нашей галактики может оказаться подозрительно лёгкой.

Данные по более чем 33 тыс. звёзд по всему диску галактики показали, что по мере удаления от центра Млечного Пути радиальная скорость звёзд заметно снижается, тогда как классическая кривая вращения галактик представляет собой практически горизонтальную линию по мере удаления от центра. Нам оказалось легко измерить кривые вращения далёких и близких галактик, тогда как со своей собственной мы едва научились разбираться и то, не до конца.

«Что нас действительно удивило, так это то, что эта кривая оставалась плоской до определенного расстояния, а затем она начала снижаться, — рассказали авторы исследования. — Это означает, что внешние звёзды вращаются немного медленнее, чем ожидалось, что является очень удивительным результатом».

«Этот результат противоречит другим измерениям, — продолжают исследователи. — Реальное понимание этого результата будет иметь глубокие последствия. Это может привести к обнаружению большего количества скрытых масс сразу за краем галактического диска или к пересмотру состояния равновесия нашей галактики».

Спутники систем навигации представляют собой сложнейшие приборы по координации синхронизированного с атомными часами времени и расстояний с учётом релятивистских явлений. Они способны и обязаны компенсировать любые гравитационные воздействия на их орбиты. Это уже готовые датчики гравитационных аномалий, сообщили европейские учёные и предложили превратить их в охотников за чёрными дырами и тёмной материей.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.0/3DNews

«Мы впервые предложили использовать замеры гравиметрических научных приборов и параметры орбит спутников глобальных навигационных систем для поиска аномалий, порождённых скоплениями тёмной материи и примордиальными [первичными] чёрными дырами, которые сближаются с Землёй на достаточно близкое расстояние. Работа этого подхода уже была проверена на базе одного из спутников навигационной системы Galileo», — пишут исследователи, которых цитирует информагентство ТАСС.

Первичные чёрные дыры слишком малы, чтобы их гравитационные волны могли уловить современные лазерно-интерферометрические гравитационно-волновые обсерватории. Считается, что они образовались из неоднородностей первичной материи вскоре после Большого взрыва. Многие из них уже испарились за счёт излучения Хокинга, но самые большие могут ещё оставаться во Вселенной. Это объекты планетарной массы, и в случае пересечения Солнечной системы в относительной близости Земли навигационные спутники отреагировали бы на их присутствие, как и на присутствие сгустков тёмной материи.

Группа европейских физиков под руководством профессора Брюссельского свободного университета (Бельгия) Себастьяна Клессе разработала методику косвенного использования развёрнутых на орбите навигационных спутниковых группировок для поиска примордиальных чёрных дыр в окрестностях Земли, включая поиск скоплений тёмной материи.

Очевидным образом прохождение небольшой чёрной дыры или сгустка тёмной материи рядом с Землёй окажет измеряемое воздействие на движение околоземных искусственных спутников, например, их ускорение и большую полуось орбиты. В сочетании с наземным оборудованием и спутниками по изучению земной гравитации это позволит примерно определить массу и положение гравитационных аномалий, если таковые произойдут, и сделать вывод о вероятной природе вызвавших их объектов.

Согласно предварительным расчётам, один спутник навигационной системы Galileo сможет уловить такую гравитационную аномалию на удалении около 1,5 а.е. от Земли (от Земли до Солнца в среднем 1 а.е.). Но чем больше спутников будет задействовано, тем дальше будут отодвигаться границы чувствительности.

Нечто подобное 10 лет назад проделали российские астрономы. Тогда они использовали данные орбитальных движений Солнца, планет и некоторых астероидов, чтобы попытаться обнаружить гравитационные аномалии в Солнечной системе. Наблюдение за навигационными спутниками в течение 30 лет способно на порядок улучшить определение подобных аномалий и принести весомый научный результат. Более того, если в окрестностях Земли будет обнаружена первичная чёрная дыра у учёных уже есть идея превратить её в аккумулятор энергии. Но это уже другая история.