Обнаружены первые свидетельства существования темной материи

Тёмная материя является загадочной субстанцией, которая превалирует над материей обычной. При этом мы не можем её наблюдать, поскольку по каким-то причинам она не участвует в электромагнитном взаимодействии, а лишь в слабом и гравитационном.

Учёные до сих пор не понимают, какова природа тёмной материи, и проводят массу масштабных экспериментов по поиску её следов.

Теоретики уверены, что, как и любое другое вещество, тёмная материя должна состоять из частиц, и если удастся узнать больше о свойствах этих частиц, то и природа субстанции, которую они составляют, станет понятнее.

Почти за полвека изучения тёмной материи было предложено несколько вариантов описания её частиц: космионы, стерильные нейтрино, аксионы и так далее.

Результаты новейших исследований указывают на то, что тёмную материю могут составлять именно аксионы, нейтральные элементарные частицы с массой около 10−5 эВ. Изначально теоретики заговорили об этих частицах с целью описания другой природной аномалии — теории сильного ядерного взаимодействия, которая является одной из четырёх фундаментальных сил природы.

Согласно описанию, аксионы — это незаряженные, очень лёгкие частицы, которые формируются в ядре Солнца и едва взаимодействуют с обычной материей. Благодаря своим свойствам, аксионы могут проходить огромные расстояния и даже вырываться из солнечной плазмы. Но затем на своём пути эти частицы сталкиваются с магнитными полями планет, например, Земли. При контакте с магнитным полем аксионы превращаются в рентгеновские фотоны, которые становится возможно понаблюдать.

Космологи из университета Лестера, команду которых возглавлял ныне покойный Джордж Фрейзер (George Fraser), обнаружили следы аксионов при наблюдении за небом в рентгеновском диапазоне.

О своих выводах учёные сообщили в статье журнала Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Публикацию также можно найти на сайте препринтов arXiv.org.

Уникальность данного исследования заключается в том, что увиденные учёными эффекты невозможно объяснить более обычными явлениями, что увеличивает шанс того, что Фрейзер и его коллеги стали первыми, кто зарегистрировал именно следы тёмной материи.

«Прямое обнаружение тёмной материи было одной из главных задач астрофизики на протяжении последних тридцати лет. Эта невидимая масса неизвестного происхождения не может рассматриваться непосредственно с помощью телескопов, но мы явно ощущаем вызванные ею гравитационное эффекты, и потому не сомневаемся в её существовании. Считается, что эта субстанция составляет более 85% всей материи во Вселенной», — писал профессор Фрейзер ещё при жизни.

Для проведения своих исследований учёные использовали так называемый рентгеновский фон — звёздное небо, из которого на компьютере были «удалены» все яркие источники рентгеновского излучения. Как правило, картина при таких наблюдениях не меняется из раза в раз, но команда Фрейзера обнаружила особый сигнал, который согласуется только с существованием аксионов.

Сигнал был обнаружен после изучения всей базы данных рентгеновской обсерватории Европейского космического агентства XMM-Newton. Учёные сообщают в пресс-релизе, что скорее всего, аксионы, как и предсказывает теория, рождаются в ядре Солнца и преобразуются в рентгеновские лучи при вхождении в магнитное поле Земли.

Очередным подтверждением того, что астрофизики увидели именно аксионы, стал эксперимент по повторному наблюдению за возможными источниками рентгеновского излучения. Теория предсказывает, что рентгеновский сигнал от аксионов будет наиболее мощным, если следить за ним через «солнечную сторону» магнитного поля, поскольку именно в этом месте поле сильнее всего. Сканирование данных XMM-Newton доказало верность этих прогнозов: таинственные сигналы действительно были сильнее на освещённой стороне магнитного поля планеты.

Разумеется, открытие Фрейзера и его команды ещё предстоит подтвердить другими независимым экспериментам. Но пока физики даже не могут представить другого объяснения зарегистрированным сигналам.