Астрофизик из Университета Колорадо в Боулдере исследует свет, исходящий от далекого и чрезвычайно мощного небесного объекта, в поисках того, что может быть самым неуловимым веществом во Вселенной: темной материей.
В двух недавних исследованиях Джереми Дарлинг, профессор кафедры астрофизических и планетарных наук, глубоко изучил PSR J1745-2900. Это тело представляет собой магнетар или разновидность коллапсирующей звезды, которая генерирует невероятно сильное магнитное поле.
«Это лучший детектор естественной темной материи, о котором мы знаем», - сказал Дарлинг, также из Центра астрофизики и космической астрономии (CASA) в CU Boulder.
Он объяснил, что темная материя - своего рода космический клей - пока еще не идентифицированная частица, которая составляет примерно 27% массы Вселенной и помогает связывать галактики, подобные нашему Млечному Пути. На сегодняшний день ученые в основном ведут охоту за невидимой материей с использованием лабораторного оборудования.
В своем последнем исследовании Дарлинг использовал другой подход: опираясь на данные телескопа, он заглядывал в магнетар PSR J1745-2900, чтобы увидеть, сможет ли он обнаружить слабые сигналы одного кандидата на темную материю - частицы, называемой аксион, - трансформирующейся в свет. Пока поиски ученого не увенчались успехом. Но его результаты могут помочь физикам, работающим в лабораториях по всему миру, сузить круг собственных поисков аксиона.
«В астрофизике мы находим интересные проблемы, например, такие как темная материя и темная энергия, затем делаем шаг назад и позволяем физикам решать их», - сказал он. «Это позор».
Дарлинг хочет изменить это - в данном случае с небольшой помощью PSR J1745-2900.
Этот магнетар вращается вокруг сверхмассивной черной дыры в центре нашей галактики Млечный Путь с расстояния менее светового года от нас. И это сила природы: PSR J1745-2900 создает магнитное поле, которое примерно в миллиард раз сильнее, чем самый мощный магнит на Земле.
Стрелец А * и магнетар PSR J1745-2900
И именно сюда Дарлинг отправился ловить темную материю.
Он объяснил, что ученым еще предстоит обнаружить единственный аксион, теоретическую частицу, впервые предложенную в 1970-х годах. Физики, однако, предсказывают, что подобные эфемерные частицы материи могли быть созданы в огромных количествах в течение ранней жизни Вселенной - и в достаточно больших количествах, чтобы объяснить дополнительную массу космоса из темной материи. Согласно теории, аксионы в миллиарды или даже триллионы раз легче электронов и лишь изредка взаимодействуют со своим окружением.
Это делает их почти невозможными для наблюдения, за одним большим исключением: если аксион проходит через сильное магнитное поле, он может трансформироваться в свет, который исследователи теоретически могли бы обнаружить.
Ученые, в том числе группа сотрудников JILA в кампусе CU в Боулдере, использовали созданные в лаборатории магнитные поля, чтобы попытаться зафиксировать подобный переход в действии. У Дарлинга и других ученых была другая идея: почему бы не попробовать тот же поиск, но в гораздо большем масштабе?
«Магнетары - самые магнитные объекты, которые мы знаем во Вселенной», - сказал он. «В лаборатории мы не сможем приблизиться к этой силе».
Сужение
Чтобы использовать это естественное магнитное поле, Дарлинг воспользовался данными наблюдений PSR J1745-2900, сделанных обсерваторией Карла Дж. Янски в Нью-Мексико. Если бы магнетар действительно преобразовывал аксионы в свет, эта метаморфоза могла бы проявиться в излучении, исходящем от коллапсирующей звезды.
Это немного похоже на поиск иголки в действительно очень большом стоге сена. Дарлинг сказал, что, хотя теоретики установили ограничения на то, насколько тяжелыми могут быть аксионы, эти частицы все же могут иметь широкий диапазон возможных масс. Каждая из этих масс, в свою очередь, будет излучать свет с определенной длиной волны, почти как отпечаток пальца, оставленный темной материей.
Очень большой массив
Несколько из 28 тарелок антенн, составляющих очень большую решетку, расположенную в Сокорро, Нью-Мексико, США. Предоставлено: CGP Gray, CC BY 2.0.
Дарлинг еще не заметил ни одной из этих различных длин волн в свете, исходящем от магнетара. Но он смог использовать наблюдения, чтобы исследовать возможное существование аксионов в самом широком диапазоне масс - неплохо для его первой попытки. Он добавил, что такие исследования могут дополнить работу, проводимую в земных экспериментах.
Конрад Ленерт согласился. Он участвует в эксперименте под руководством Йельского университета, названного, что неудивительно, HAYSTAC, по поиску аксионов с помощью магнитных полей, созданных в лабораториях по всей стране.
Ленерт объяснил, что астрофизические исследования, подобные исследованиям Дарлинга, могут действовать как своего рода разведчики в поисках аксионов, выявляя интересные сигналы в свете магнетаров, которые лабораторные исследователи могли бы затем изучить с гораздо большей точностью.
«Эти хорошо контролируемые эксперименты позволят определить, какой из астрофизических сигналов может иметь происхождение из темной материи», - сказал Ленерт, научный сотрудник JILA, совместного исследовательского института между CU Boulder и Национальным институтом стандартов и технологий (NIST). Дарлинг планирует продолжить свои собственные поиски, что означает еще более пристальное наблюдение за магнетаром в центре нашей галактики: «Нам нужно заполнить эти пробелы и пойти еще дальше».