Астрофизик из Университета Колорадо в Боулдере ищет в свете, исходящем от далекого и чрезвычайно мощного небесного объекта, возможно, самое неуловимое вещество во Вселенной: темную материю.
В двух недавних исследованиях Джереми Дарлинг, профессор кафедры астрофизических и планетарных наук, внимательно изучил PSR J1745-2900. Это тело представляет собой магнетар или разновидность схлопнувшейся звезды, создающей 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 Калифорнийском университете в Боулдере.
Он объяснил, что темная материя - это своего рода космический клей - пока еще не идентифицированная частица, которая составляет примерно 27% массы Вселенной и помогает связывать воедино галактики, подобные нашему Млечному Пути. На сегодняшний день ученые в основном вели охоту за этой невидимой материей, используя лабораторное оборудование.
Дарлинг применил другой подход в своих последних исследованиях: опираясь на данные телескопа, он вглядывается в PSR J1745-2900, чтобы увидеть, сможет ли он обнаружить слабые сигналы одного кандидата на роль темной материи - частицы, называемой аксионом. превращаясь в свет. Пока поиски ученого не увенчались успехом. Но его результаты могут помочь физикам, работающим в лабораториях по всему миру, сузить круг поисков аксиона.
Новые исследования также являются напоминанием о том, что исследователи все еще могут смотреть в небо, чтобы решить некоторые из самых сложных вопросов в науке, сказал Дарлинг. В этом месяце он опубликовал свои первые результаты в Astrophysical Journal Letters и Physical Review Letters.
«В астрофизике мы находим все эти интересные проблемы, такие как темная материя и темная энергия, а затем отступаем и позволяем физикам решить их», - сказал он. "Это позор."
Природный эксперимент
Darling хочет это изменить - в данном случае с небольшой помощью PSR J1745-2900.
Этот магнетар вращается вокруг сверхмассивной черной дыры в центре Галактики Млечный Путь на расстоянии менее светового года. И это сила природы: PSR J1745-2900 генерирует магнитное поле примерно в миллиард раз мощнее самого мощного магнита на Земле.
«Магнитары обладают всем магнитным полем, которое есть у звезды, но оно сжато до площади около 20 километров в поперечнике», - сказал Дарлинг.
И это место, где Дарлинг ловит темную материю.
Он объяснил, что ученым еще предстоит определить местонахождение единственного аксиона, теоретической частицы, впервые предложенной в 1970-х годах. Физики, однако, предсказывают, что эти эфемерные частицы материи могли быть созданы в монументальных количествах во время 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 с окружающей средой.
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 могут обнаружить.
Ученые, включая команду JILA в кампусе Калифорнийского университета в Боулдере, использовали созданные в лаборатории магнитные поля, чтобы попытаться зафиксировать этот переход в действии. У Дарлинга и других ученых была другая идея: почему бы не попробовать тот же поиск, но в гораздо большем масштабе?
«Магнитары - самые магнитные объекты, которые мы знаем во Вселенной», - сказал он. «Мы никак не сможем приблизиться к этой силе в лаборатории».
Сужение
Чтобы использовать это естественное магнитное поле, Дарлинг использовал наблюдения PSR J1745-2900, сделанные Карлом Г. Янским Very Large Array, обсерваторией в Нью-Мексико. Если магнетар действительно преобразовывал аксионы в свет, эта метаморфоза могла проявиться в излучении, испускаемом коллапсировавшей звездой.
Усилие немного похоже на поиск единственной иголки в очень, очень большом стоге сена. Дарлинг сказал, что, хотя теоретики наложили ограничения на то, насколько тяжелыми могут быть аксионы, эти частицы все еще могут иметь широкий диапазон возможных масс. Каждая из этих масс, в свою очередь, будет производить свет с определенной длиной волны, почти как отпечаток пальца, оставленный темной материей.
Дорогая еще не заметила ни одной из этих четких 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 рамках наземных экспериментов.
Конрад Ленерт согласился. Он участвует в эксперименте Йельского университета, который, что неудивительно, называется HAYSTAC, и направлен на поиск аксионов с помощью магнитных полей, созданных в лабораториях по всей стране.
Ленерт объяснил, что астрофизические исследования, подобные исследованиям Дарлинга, могут служить своего рода разведчиком в охоте на аксионы, выявляя интересные сигналы в свете магнетаров, которые лабораторные исследователи затем могут раскопать с гораздо большей точностью.
«Эти хорошо контролируемые эксперименты позволят определить, какие из астрофизических сигналов могут иметь происхождение от темной материи», - сказал Ленерт, сотрудник JILA, совместного исследовательского института между CU Boulder и Национальным институтом Стандарты и технологии (NIST).
Дорогой планирует продолжить собственные поиски, а это значит, что он еще ближе присмотрится к магнетару в центре нашей галактики: «Нам нужно заполнить эти пробелы и пойти еще глубже».