Фотоны из пустоты: как «бесполезные» наблюдения помогут найти темную материю

Стандартная модель физики элементарных частиц, описывающая все известные компоненты мироздания и их взаимодействия, неизменно подтверждается лабораторными экспериментами. Однако она не может объяснить все явления, существующие в космосе. В частности, многочисленные астрофизические исследования указывают: 85% массы Вселенной состоит из частиц, не входящих в стандартную модель. Сейчас две независимые группы ученых предложили использовать космический телескоп Джеймс Уэбб (JWST) для поиска фотонов, которые могут возникать при распаде гипотетических аксионов - возможных составляющих этого загадочного вещества.

Первые свидетельства существования темной материи были получены физиком Верой Рубин в 1970-х годах. В ходе наблюдений она обнаружила: звезды и газ на периферии галактик вращаются быстрее, чем следовало бы исходя из количества видимого вещества. Полученные данные указывали на присутствие массивного темного гало вокруг светящихся объектов - именно оно создавало необходимую гравитацию для удержания звездных систем на их орбитах.

На сегодняшний день природа темной материи, несмотря на убедительные доказательства ее существования, остается нераскрытой. Среди множества теоретических предположений особый интерес вызывает гипотеза об аксионе квантовой хромодинамики - принципиально новой фундаментальной частице, которая должна обладать крайне малой массой и практически не участвовать в большинстве физических процессов.

Существование аксиона объяснило бы одну из главных загадок физики. Речь идет о сильном ядерном взаимодействии - одной из четырех фундаментальных сил природы, которая удерживает кварки внутри протонов и нейтронов. Это взаимодействие, вопреки теоретическим предсказаниям, сохраняет особое свойство - CP-симметрию, то есть остается неизменным при одновременной замене частиц на античастицы и зеркальном отражении пространства.

Согласно теоретическим расчетам, аксионы должны крайне слабо взаимодействовать со светом - это свойство характерно для любого кандидата на роль темной материи. Однако даже при такой слабой связи эти гипотетические частицы могут изредка распадаться, превращаясь в пары фотонов. Вероятность превращения определяется особым параметром - константой связи, которая показывает, насколько интенсивно аксион влияет на электромагнитное поле.

Значение этой константы настолько мало, что для распада большинства аксионов потребовалось бы времени больше, чем существует наша Вселенная. Однако поскольку каждое превращение происходит случайным образом, небольшая часть должна распадаться и сегодня. А если учесть, что темная материя предположительно состоит именно из аксионов, их количество должно быть колоссальным. В таком случае некоторые из возникающих при распаде фотонов могли бы регистрироваться современными телескопами, включая JWST.

В этом случае для наблюдений лучше всего подходят области с высокой концентрацией темной материи и минимальным количеством излучающих объектов. Райан Джаниш и Елена Пинетти из Национальной лаборатории Ферми, а также Сандип Рой из Принстонского университета с коллегами предлагают исследовать темное гало нашей галактики.

В пределах Млечного Пути компоненты темной материи перемещаются со скоростью около 200 километров в секунду - это лишь малая доля скорости света. При таких условиях их кинетическая энергия оказывается значительно меньше энергии покоя - той, что заключена в массе. Когда происходит распад на два фотона, каждый из них уносит половину суммарной энергии исходного объекта, которая в данном случае практически равна половине его массы.

Если масса всех составляющих, то и фотоны от распада разных компонентов будут нести равное количество энергии. Благодаря этому сигнал должен проявляться как узкая спектральная линия, расположенная на частоте, соответствующей половине массы аксиона. В зависимости от истинного значения этой массы такую линию можно будет зарегистрировать с помощью телескопа.

JWST представляет собой самый современный инструмент для наблюдений в глубоком инфракрасном диапазоне, способный обнаруживать предельно слабые источники излучения. В своих исследованиях ученые рассматривают два прибора на его борту: спектрограф ближнего инфракрасного диапазона (NIRSpec) и инструмент среднего инфракрасного диапазона (MIRI). Оба устройства включают спектрографы, точно различающие свет разных энергий, что делает их идеальными для поиска спектральных линий.

Хотя поиск темной материи в форме аксионов не входит в основные задачи JWST, к завершению миссии накопится внушительный объем данных, пригодных для исследований в этой области. При наблюдении удаленных объектов, например далеких галактик, астрономам необходимо определить, какая часть регистрируемого излучения приходит от изучаемого объекта, а какая создается фоновым свечением.

В инфракрасном диапазоне основной фоновый сигнал создается солнечным светом, рассеянным на межпланетной пыли. Для точного измерения и последующего вычитания этого фона, а также других диффузных источников, телескоп направляют в сторону от основной цели - в область без ярких объектов. Это называется “наблюдение пустого неба”.

NIRSpec и MIRI могут работать в режиме интегрального полевого спектрографа (IFU), который измеряет спектр для каждого пикселя изображения. Если основной объект наблюдений компактный, соседние пиксели как раз можно использовать в качестве области пустого неба. Метод идеально подходит для поиска слабого излучения от темного гало, поскольку игнорирует яркие источники. К тому же, поскольку наша Галактика погружена в темное гало, любые наблюдения пустого неба несут информацию о возможном сигнале от распада темной материи.

Группа Роя подсчитала: за десятилетие работы приборы NIRSpec и MIRI соберут данные о пустом небе общей продолжительностью в несколько месяцев. Это поможет либо найти следы аксионов определенной массы (от 0,18 до 2,6 электронвольт), либо доказать, что их не существует при значениях константы связи в десять раз меньше тех, что уже проверены другими методами. Параллельно с этим Джаниш и Пинетти изучили имеющиеся данные NIRSpec. Не обнаружив характерной спектральной линии на фоне случайных колебаний сигнала, они исключили существование аксионов массой от 0,8 до 2,5 электронвольт, взаимодействующих с фотонами примерно вдвое слабее, чем считалось возможным ранее.

Оба исследования демонстрируют потенциал JWST в поиске темной материи и разгадке тайны ее природы. К концу работы обсерватории ученые смогут проверить версии об аксионах, взаимодействующих со светом в десять раз слабее, чем предполагалось. И для этого даже не потребуется специальная программа наблюдений - хватит данных, которые телескоп собирает для калибровки своих основных измерений.