Тонкий анализ космологических данных исследует новую концепцию темной материи

Фото из открытых источников

Используя существующие астрономические данные, группа космологов искала гипотетическую частицу, называемую темным фотоном, потенциального посланника из совершенно нового мира необнаруженных частиц, который мог бы объяснить загадочную темную материю Вселенной. Исследователи искали подсказки, сравнивая послесвечение Большого взрыва — космический микроволновый фон (CMB) — с распределением галактик и не нашли ничего, как они сообщили в статье в печати в Physical Review Letters . Но их поиск накладывает ограничения на некоторые массы темных фотонов, и метод может быть распространен на другие диапазоны масс с другими наборами космологических данных.

«Это, безусловно, откроет множество новых возможностей для исследования темного фотона», — говорит Йенс Хлуба, теоретический космолог из Манчестерского университета, который не принимал участия в работе.

Составляя 85% всей материи во Вселенной и скапливаясь в огромных гало, которые дали начало формированию галактик, темная материя является одной из самых больших загадок космологии. Большинство моделей предполагают, что она состоит из одного типа новых частиц. Например, она может состоять из слабо взаимодействующих массивных частиц (WIMP), которые взаимодействуют только посредством гравитации и слабой ядерной силы. Но до сих пор ни WIMP, ни другой кандидат, гораздо более легкие частицы, называемые аксионами, не были обнаружены.

Некоторые физики предполагают, что темная материя может состоять из совершенно нового «темного сектора» частиц, которые взаимодействуют посредством своих собственных сил и лишь слабо связаны с обычными частицами. Темный сектор может иметь отдельную версию электромагнетизма, например, которая будет передаваться массивным темным фотоном, так же как обычная электромагнитная сила передается обычным, безмассовым фотоном.

Темный фотон не был бы темной материей, но он мог бы служить посланником из темного сектора, потому что иногда можно было бы ожидать, что он превратится в обычный фотон. Физики ищут темные фотоны в лабораторных экспериментах, в которых пучок частиц взрывает непроницаемый барьер. Если столкновение производит темные фотоны, некоторые из них могут превратиться в обычные фотоны в детекторе далеко за барьером.

Теперь Фиона Маккарти, наблюдательный космолог из Кембриджского университета, и ее коллеги искали противоположный эффект: обычные фотоны, превращающиеся в темные фотоны. И они сделали это не в лаборатории, а в космосе, используя точную карту реликтового излучения, созданную космическим аппаратом Planck Европейского космического агентства, который собрал данные с 2009 по 2013 год, и каталог из более чем полумиллиарда галактик, полученных с помощью широкоугольного инфракрасного обзорного зонда NASA, который летал с 2010 года по начало этого года. Анализ позволил исследователям искать темные фотоны с массами настолько малыми, что их невозможно было бы увидеть в экспериментах с частицами, говорит Маккарти.

Поскольку фотоны из CMB курсируют через космос, вероятность их превращения в темные фотоны должна достигать пика, когда они проходят через плазму электронов, окружающую скопления галактик. Маккарти и ее коллеги искали потерю фотонов CMB, которая коррелировала бы с направлениями скоплений галактик и сделала бы CMB пятнистым.

Это было непросто, поскольку РИ уже знаменито рябой. Его температура меняется примерно на одну часть из 100 000 от точки к точке на небе, отражая крошечные квантовые флуктуации в сверхгорячем супе фундаментальных частиц, который заполнил новорожденную вселенную. Поэтому исследователям пришлось искать крошечное количество пятен поверх крошечного количества пятен.

Им также пришлось учитывать другие эффекты, которые могут искажать CMB. Например, фотоны CMB могут менять энергию, когда они отскакивают от электронов, а электроны, вращающиеся в далеких галактиках, могут излучать собственные микроволны. Чтобы отфильтровать такие эффекты, исследователи полагались на тот факт, что каждый из них будет изменять спектр CMB по-разному.

В конце концов, команда не нашла никаких доказательств существования темных фотонов. Данные не смогли исключить частицы, но установили ограничение почти в 10 раз более строгое, чем предыдущий анализ только CMB, на то, насколько сильно темные фотоны определенного диапазона масс — примерно от 0,2 до 20 квинтиллионных массы электрона — могут объединяться с обычными фотонами.

«Было бы гораздо более удивительно, если бы мы что-то нашли», — говорит Маккарти. Тем не менее, анализ стоил того, говорит она, потому что он использует существующие данные и методы анализа. «Мы должны искать темную материю везде, где только можем», — говорит она.

По словам Хлубы, у этой методики есть простор для развития. Анализ команды исследовал диапазон масс темных фотонов, который зависит от плотности электронов в каталогизированных галактиках, которые были разделены на две когорты: одна в среднем на 7 миллиардов световых лет, а другая — на 12 миллиардов световых лет. Плотность электронов должна быть выше в более далеких, старых галактиках, и поиск их изолированного влияния на реликтовое излучение может позволить ученым искать более тяжелые темные фотоны, говорит Хлуба.

Космологи, возможно, даже смогут сравнить реликтовое излучение с распределением водородного газа в космические «темные века» до появления галактик, говорит он. «Изучение архивных данных и их использование новым, инновационным способом — это всегда большой шаг», — говорит он.