На протяжении более полувека ученые пытались понять темную материю – таинственную форму материи, которая не испускает и не поглощает свет, но, как полагают, составляет большую часть массы вселенной. Его присутствие формирует галактики и влияет на то, как движутся звезды, но никто не видел его напрямую. Несмотря на бесчисленные исследования и теории, фактическая частица, стоящая за этой космической загадкой, остается неизвестной.
Теперь команда исследователей во главе с доцентом Вэнь Инь из Токийский столичный университет Возможно, научилось на шаг ближе. Используя некоторые из самых передовых инфракрасных оборудования в мире, они проверили новый метод для обнаружения возможных признаков распада темной материи. Хотя неуловимая частица все еще прячется в тени, эта смелая усилия дала один из самых точных результатов – и может помочь в будущих открытиях.
Что делает темную материю так сложно найти?
Ученые считают, что темная материя существует из -за того, как ведут себя галактики. Согласно общей теории теории относительности Эйнштейна, массово -разнообразного пространства и времени. Но когда астрономы смотрели на то, как вращаются галактики, видимой материи было недостаточно, чтобы объяснить движение. Что -то невидимое должно было добавить массу – и именно так родилась идея темной материи.
Мы показываем ограничение 2σ для разлагаемой темной материи на две бесцветные частицы, одной из которых является фотон. Верхние панели показывают ограничения на скорость распада, умноженные на количество фотонов в конечном состоянии, Q, как функция массы Mϕ. (Кредит: Письма о физическом обзоре)
Проблема в том, что темная материя не взаимодействует со светом или другими фундаментальными силами, кроме гравитации. Это делает это невероятно трудным для обнаружения. На протяжении многих лет ученые предложили различные кандидаты в частицы, которые могут объяснить это, как слабо взаимодействующие массивные частицы (WIMP) и аксионоподобные частицы (ALP). Эти теоретические частицы не ведут себя как обычное дело, но они могут оставить тонкие подсказки – если вы знаете, где искать.
Новый акцент на аксионоподобных частицах
Среди многих кандидатов на темную материю Альпы уделяют больше внимания. Эти теоретические частицы могут разлагаться на два фотона или легкие частицы. Если Альпы существуют в определенных массовых диапазонах – в частности, между 0,01 и 7,7 электронными вольтами – они могут появиться как слабые, узкие выбросы инфракрасного света в небе.
Модели предсказывают, что Альпы с массами около 2 электронных вольт могут помочь объяснить загадочные излишки на космическом инфракрасном фоне. И если их сила взаимодействия с фотонами достаточно сильна – в отношении уровня гигаэлектронволта – они могут даже объяснить более одного странного сигнала одновременно. Эти захватывающие возможности побудили ученых проверять теории ALP с использованием новых инструментов.
Связанные истории
Инфракрасные спектрографы становятся охотниками за частицами
Вот где вошли Инь и ее команда. Работая с исследователями из Университет Киото Сангё, Национальная астрономическая обсерватория Японии, Университет Токиои другие учреждения, они использовали мощное устройство под названием Winered. Короче говоря, для теплого инфракрасного спектрографа Echelle для реализации экстремальной дисперсии и чувствительности, этот инструмент был разработан в Японии и установлен на 6,5-метровом телескопе глины Magellan в Чили.
Winered может измерять свет от 0,9 до 1,35 микрометров, со спектральным разрешением до R = 68 000. Этот уровень детализации делает его идеальным для определения узких спектральных линий, которые появятся, если ALP распадается на свет.
Команда Инь нацелилась на этот инструмент на двух карликовых галактиках: Leo V и Tucana II. Эти галактики идеально подходят для поиска темной материи, потому что они имеют низкий фоновый шум и много темного вещества по сравнению с видимой веществом. 6 июля 2023 года они наблюдали за Лео V в течение часа, а затем 30 минут пустого неба, чтобы отфильтровать фоновый свет. 2 ноября 2023 года они сделали то же самое с Tucana II, наблюдая за 1,2 часа, включая 0,7 часа пустого неба.
Ограничение 2σ для затухания темной материи в две безмасляные частицы, одним из которых является фотон, перед вычитанием непрерывного спектра. (Кредит: Письма о физическом обзоре)
Цель состояла в том, чтобы искать любые неожиданные всплески инфракрасного света – позитивные признаки распада темной материи.
Результаты: нет сигнала, но более сильные ограничения
В конце концов, в данных не появилось четкий сигнал распада ALP. Но это не означало, что эксперимент потерпел неудачу. Совершенно наоборот – отсутствие сигнала позволило команде установить некоторые из самых сильных ограничений в течение всего срока службы этих частиц.
Если Альпы существуют в диапазоне массы от 1,8 до 2,7 электронных вольт, они должны быть невероятно стабильными – по крайней мере, от десяти до ста миллионов раз больше, чем возраст вселенной. Этот результат сужает окно для будущих экспериментов и дает ученым лучшие цели, к которым нужно стремиться.
Этот метод также оказался ценным самостоятельно. В отличие от других методов, которые полагаются на фоновые модели и косвенные эффекты, этот подход непосредственно искал спектральные линии. Это делает результаты более надежными и менее зависимыми от теоретических предположений.
Дифференциальный D-фактор для Leov (верхняя панель) и Tucanaii (нижняя панель), предполагая профиль NFW. (Кредит: Письма о физическом обзоре)
Многообещающий путь вперед
Выводы команды появились в Письма о физическом обзореодин из самых уважаемых журналов в области физики. В то время как темная материя не было обнаружено, эксперимент открывает новую дверь для того, чтобы искать ее.
Это исследование также дополняет усилия с использованием космических инструментов, таких как ближний инфракрасный спектрограф (NIRSPEC) на борту космического телескопа Джеймса Уэбба. Этот метод ищет темную материю, вычитая широкие фоновые спектры, но у него есть ограничения, особенно в частях неба, где пыль и газ мешают. Наземные инфракрасные спектрографы, такие как Winered, могут помочь заполнить эти пробелы.
Инь и ее команда даже заметили некоторые незначительные аномалии – в данных излишках – которые могут намекнуть на что -то, что стоит изучить дальше. Эти нарушения не считались обнаружениями, но они могут быть подсказками. Больше наблюдений и лучших инструментов могут быть в состоянии подтвердить или исключить их.
Примеры щелевых изображений до и после вычитания неба показаны на левой и правой панелях. Верхние (нижние) панели предназначены для LEOV (TUCANA II). Яркость соответствует количеству фотонов. Изображения сводятся к данным потока/стандартного отклонения с точки зрения длины волны. (Кредит: Письма о физическом обзоре)
В погоне за космическим призраком
Понимание темной материи остается одной из величайших проблем науки. Он формирует структуру вселенной, но прячется на виду. Благодаря новым технологиям и творческим методам ученые медленно затягивают сеть вокруг этой неуловимой частицы.
Исследование Инь и ее сотрудников показывает, что даже «не обнаружение» может продвигать науку вперед. Установив лучшие ограничения и доказывая новые методы, они приблизили нас к ответу на вопрос, который преследует физику в течение нескольких поколений.
Темная материя все еще может быть в темноте, но ученые теперь лучше, чем когда -либо, чтобы найти ее.
2025-07-27 00:07:00
1753579841
#Частицы #темной #материи #могут #жить #дольше #чем #сама #вселенная #находит #исследование
По теме
