Темная материя: как близлежащая сверхновая может все изменить

Темная материя интригует астрономов и физиков уже почти столетие. Эта невидимая субстанция составляет около 85 % материи во Вселенной и играет важнейшую роль в поддержании галактик. Однако никто точно не знает, что это такое. Однако исследователи из Калифорнийского университета в Беркли считают, что им удалось найти революционный способ разгадать эту тайну. Ключ к разгадке может лежать в эффектном взрыве массивной звезды (или сверхновой). Если такой взрыв произойдет поблизости, то он может дать заметный сигнал, который раскроет природу темной материи, при условии, что мы будем готовы к наблюдениям.

Что такое темная материя?

Темная материя — это неуловимая субстанция. В отличие от обычной материи, из которой состоят звезды, планеты и даже наши тела, она не излучает ни света, ни энергии. Поэтому она невидима для обычных телескопов. Ученые знают, что она существует только благодаря своему гравитационному влиянию. Например, без темной материи галактики, какими мы их знаем, не могли бы держаться вместе.

Однако, несмотря на десятилетия исследований, ее точный состав остается загадкой. Поэтому физики пытаются определить частицы, из которых она может состоять. Одна из самых многообещающих гипотез — существование аксионов, чрезвычайно легких частиц, которые могли бы решить несколько фундаментальных загадок в физике. Хотя они никогда не были обнаружены, теоретически они совместимы со Стандартной моделью физики и могут объяснить большую часть темной материи во Вселенной.

Сверхновые: космические лаборатории

Вот тут-то и пригодятся сверхновые. Сверхновая, последний взрыв массивной звезды, — одно из самых впечатляющих явлений во Вселенной. В результате этих событий высвобождается колоссальное количество энергии, сравнимое с энергией, выделяемой целой галактикой за одно мгновение. Тем не менее, помимо своего блеска, эти взрывы могут дать ценные подсказки о существовании аксионов и, как следствие, о природе темной материи.

Точнее, когда ядро массивной звезды разрушается, оно может превратиться в нейтронную звезду — чрезвычайно плотный объект с интенсивным магнитным полем. В таких экстремальных условиях, по мнению исследователей, аксионы могут производиться в больших количествах. Пройдя через окружающее магнитное поле, эти частицы могут быть преобразованы в гамма-лучи — тип очень высокоэнергетического света, который можно обнаружить с Земли.

Как можно обнаружить аксионы с помощью сверхновой?

Ключ к этому открытию лежит в обнаружении гамма-излучения, производимого аксионами. Сегодня космический телескоп Ферми, вращающийся вокруг Земли, является одним из немногих приборов, способных обнаружить такие сигналы. Если бы в нашей галактике произошла сверхновая, а «Ферми» был бы направлен в нужную сторону, он смог бы зафиксировать эти гамма-лучи в течение нескольких секунд после взрыва.

Такое наблюдение позволило бы получить важнейшую информацию об аксионах, в частности об их массе и свойствах. Это не только подтвердило бы их существование, но и позволило бы разгадать одну из величайших загадок современной физики — темную материю.

Однако вероятность такого обнаружения остается низкой. Чтобы гамма-излучение было достаточно мощным, сверхновая должна находиться относительно близко, в нашей галактике или в галактике-спутнике, например, в Большом Магеллановом Облаке. Однако такие события происходят редко: последняя видимая вблизи сверхновая, названная SN 1987A, произошла в 1987 году. Более того, телескоп должен быть направлен в нужную сторону в момент взрыва, что еще больше снижает шансы на успех.

Готовы ли мы воспользоваться этой возможностью?

Главная задача ученых — обеспечить готовность к появлению следующей близкой сверхновой. Сегодня телескоп «Ферми» может одновременно наблюдать лишь за небольшой частью неба. Это означает, что существует большая вероятность пропустить важнейший гамма-сигнал, если сверхновая вспыхнет в неохваченной области.

Чтобы решить эту проблему, исследователи предлагают создать созвездие гамма-телескопов, способных непрерывно наблюдать за всем небом. Этот проект, получивший название GALAXIS (GALactic AXion Instrument for Supernova), позволит нам не пропустить ни одного события. Однако такая сеть требует многолетнего планирования и крупных инвестиций, и следующая сверхновая может произойти до того, как этот проект будет завершен.

Идея о том, что сверхновая может обнаружить темную материю, придает научным исследованиям ощущение срочности. Исследователи понимают, что нужно действовать быстро, чтобы максимально увеличить свои шансы. Бенджамин Сафди, физик из Калифорнийского университета в Беркли, отмечает: «Было бы очень обидно, если бы сверхновая случилась завтра, а мы упустили бы возможность обнаружить аксион».

Тем временем ученые продолжают совершенствовать свои приборы и разрабатывать стратегии, чтобы быть готовыми к обнаружению этого редкого, но революционного сигнала.

Читайте все последние новости астрофизики на New-Science.ru