Учёные продолжают усилия по разгадке одной из самых фундаментальных загадок современной астрофизики — природы тёмной материи, невидимой субстанции, которая составляет примерно 85 % всей материи во Вселенной и оказывает решающее гравитационное влияние на галактики и крупномасштабную структуру космоса. Недавнее международное исследование Международного сотрудничества XRISM предлагает новый способ использовать рентгеновские спектры скоплений галактик для поиска возможных следов тёмной материи, в первую очередь в виде так называемого распадающейся тёмной материи.
Почему тёмная материя остаётся одной из главных загадок космоса
Тёмная материя — это невидимый компонент Вселенной, который не излучает и не отражает свет, но обнаруживается по гравитационному воздействию на обычную материю, радиацию и динамику космических структур. Именно благодаря тёмной материи галактики держатся «своими границами», а скопления галактик остаются связанными гравитацией.
Классические методы изучения тёмной материи включают:
- изучение движения галактик и объектов внутри скоплений,
- гравитационное линзирование, когда тёмная материя искажает свет от удалённых фоновых галактик,
- динамика горячего газа, наблюдаемого в рентгеновских лучах.
Несмотря на десятилетия исследований, частицы тёмной материи всё ещё не обнаружены напрямую, и их свойства остаются неопределёнными, что стимулирует развитие новых методов обнаружения.
XRISM и идея поиска «распадающейся тёмной материи»
Основой нового подхода является проект XRISM (X-ray Imaging and Spectroscopy Mission) — совместная японско-американская космическая миссия, созданная для получения высокоразрешающих рентгеновских спектров космических источников, включая скопления галактик, чёрные дыры и остатки сверхновых.
Исследователи сосредоточились на так называемой распадающейся тёмной материи (Decaying Dark Matter, DDM) — модели, согласно которой частицы тёмной материи могут медленно распадаться на более лёгкие частицы, излучая при этом специфические сигналы, например в рентгеновском диапазоне.
Если частицы тёмной материи действительно распадаются, то они могли бы оставлять узкие линии в рентгеновском спектре, которые не соответствуют известным спектральным линиям обычного атомного или ионизированного газа. Поиск таких неидентифицированных линий — это потенциальный способ обнаружить следы поведения тёмной материи.
Почему скопления галактик — подходящая «мишень»
Скопления галактик — крупнейшие гравитационно связанные структуры во Вселенной, содержащие:
- сотни или тысячи галактик,
- огромные массы нагретого газа, который излучает в рентгене,
- и огромные скопления тёмной материи, составляющей около 75-85 % общей массы.
В этих системах рентгеновские спектры уже используются для изучения:
- распределения горячего газа,
- температуры, плотности и химического состава внутрикластерного вещества,
- динамических процессов, происходящих в скоплении.
При этом тёмная материя сама по себе не излучает свет, но гипотетический распад её частиц мог бы проявиться именно в виде рентгеновских линий, которые отсутствуют в спектрах известных атомных элементов. Скопления галактик богаты тёмной материей и позволяют астрономам оценивать её вклад и распределение, что делает их идеальным объектом для поиска таких сигналов.
Что именно ищут учёные в рентгеновском спектре
Рентгеновский спектр скопления галактик обычно содержит характерные линии излучения горячего газа, образующиеся при переходах электронов в тяжёлых элементах, таких как железо, кремний или кислород. Эти линии хорошо известны, и их положение зависит от температуры газа и энергетического состояния атомов.
Если же в спектре обнаруживается линия, которая не соответствует известным энергетическим переходам элементов, это может указывать на иные процессы, например:
- распад частиц тёмной материи,
- новый вид субатомных частиц,
- или другие физические механизмы, ещё не изученные.
Один из кандидатов, активно обсуждаемых в научной литературе, — это стерильный нейтрино, гипотетическая частица, которая взаимодействует с обычной материей только через гравитацию и могла бы распадаться с образованием двух фотонов с одинаковой энергией. Детектирование таких фотонов в рентгеновском диапазоне дало бы прямые указания на наличие и свойства этих частиц.
История наблюдений и предшествующие результаты
Подобные идеи не являются полностью новыми. В 2014 году группа под руководством доктора Эсры Булбул использовала данные рентгеновского телескопа XMM-Newton Европейского космического агентства, анализируя спектры 73 скоплений галактик и обнаружив слабую, не идентифицированную линию излучения. Эта линия стала одним из ранних кандидатов на возможный сигнал от распада тёмной материи, хотя её интерпретация остаётся предметом научного обсуждения.
XRISM предлагает более высокий энергетический спектральный разрешение, чем предыдущие инструменты, что делает новые наблюдения особенно значимыми для уточнения или опровержения предыдущих намёков.
Что это может дать науке
Если один из таких не идентифицированных рентгеновских сигналов подтвердится как след распада тёмной материи, это откроет принципиально новый путь к пониманию:
- что именно составляет тёмную материю,
- каковы массы её частиц,
- какими свойствами они обладают,
- и как они влияют на эволюцию структуры Вселенной.
Такой успех стал бы важным дополнением к существующим методам изучения тёмной материи, включая гравитационное линзирование, распределение гелей в галактиках и косвенные сигналы в других диапазонах электромагнитного спектра.
Перспективы и дальнейшие шаги
Исследователи отмечают, что изучение рентгеновских спектров с помощью XRISM и будущих миссий может занять годы, но потенциал для прорыва остаётся высоким. Последующие наблюдения и анализ больших массивов данных позволят:
- уточнить наличие или отсутствие аномальных линий в спектрах,
- ограничить свойства частиц тёмной материи или
- исключить некоторые теоретические модели.
В ближайшие 5–10 лет накопление данных XRISM может либо обнаружить убедительные признаки распада тёмной материи, либо значительно сузить диапазон возможных характеристик таких частиц.
Заключение
Рентгеновские спектры скоплений галактик — это не только средство изучения горячего газа и динамики этих колоссальных структур, но и инструмент поиска следов тёмной материи через возможный её распад. С миссией XRISM астрономы получают уникальную возможность детализировать спектры с беспрецедентной точностью и, возможно, впервые получить прямые данные о свойствах частиц, составляющих большую часть материи во Вселенной.
Источники:
Статья создана по материалам UniverseToday.com
