Планы NASA вернуть астронавтов на Луну в рамках программы «Артемида», а затем отправить человечество к Марсу наглядно демонстрируют, как далеко шагнуло освоение космоса. Но чем дальше мы заглядываем за пределы Солнечной системы, тем больше возникает вопросов об устройстве самой Вселенной. И один из самых грандиозных — вопрос о материи, из которой состоит всё вокруг.
Физики подсчитали: примерно 85 процентов всей материи во Вселенной невозможно увидеть, потрогать или зарегистрировать напрямую. Это неуловимое вещество называют тёмной материей. Оно не испускает света, подобно звёздам или галактикам, и единственная причина, по которой учёные знают о его существовании, — гравитация.
Галактики вращаются слишком быстро, чтобы их удерживала вместе только видимая материя. Свет, путешествуя сквозь космос, искривляется сильнее, чем предсказывают расчёты, основанные на наблюдаемой массе. Галактики внутри скоплений проносятся мимо друг друга на скоростях, совершенно необъяснимых одним лишь видимым веществом. Раз за разом данные со всей Вселенной приводят исследователей к одному и тому же выводу: там определённо что-то есть. Невидимое, но присутствие которого неоспоримо.
Недостающий кусок космической головоломки
Всё в нашем повседневном мире состоит из атомов — комбинаций протонов, нейтронов и электронов. Из этих частиц построены звёзды, планеты и мы сами. Но тёмная материя, как полагают учёные, устроена принципиально иначе. Скорее всего, она состоит из совершенно нового типа частиц, которые ещё только предстоит открыть. Понять их природу — значит заполнить колоссальный пробел в современной физике. Однако значение тёмной материи выходит далеко за пределы физики элементарных частиц.
Именно тёмная материя сыграла ключевую роль в формировании Вселенной. Вскоре после Большого взрыва она послужила своего рода гравитационными строительными лесами, помогая обычному веществу собираться в сгустки, из которых затем родились первые галактики и звёзды. И сегодня она продолжает действовать как невидимый клей, удерживающий галактики от распада. Без тёмной материи известная нам Вселенная, скорее всего, просто не существовала бы.
В поисках невидимого
Поскольку тёмная материя не испускает света, искать её приходится окольными путями. Один из самых многообещающих подходов — попытаться уловить сигналы, которые могут возникать, когда её частицы сталкиваются и уничтожают друг друга в процессе, называемом аннигиляцией.
Идея звучит экзотично, но у неё есть вполне земная аналогия. В медицине позитронно-эмиссионные томографы — ПЭТ-сканеры — фиксируют излучение, рождающееся при аннигиляции частиц антиматерии, позитронов, с обычными электронами. Эти аннигиляционные сигналы позволяют врачам составлять карты раковых опухолей внутри человеческого тела. Учёные надеются, что нечто подобное может происходить и с тёмной материей. Если её частицы аннигилируют друг с другом, они должны порождать гамма-лучи — самую энергичную форму света. Такие гамма-всплески могли бы стать своеобразными отпечатками пальцев, указывающими, где тёмная материя концентрируется и какими свойствами обладает.
Загадочный сигнал в сердце Млечного Пути
Один из самых мощных инструментов для этой охоты — космический телескоп NASA Fermi Large Area Telescope (Fermi-LAT), сканирующий гамма-небо с 2008 года. Годами он фиксирует необъяснимое гамма-свечение, исходящее из центра Млечного Пути. Судя по гравитационным наблюдениям — кривым вращения галактик, движению звёзд, искривлению света, а также данным космологических симуляций, — этот регион должен быть чрезвычайно богат тёмной материей, что делает его крайне заманчивым местом для поиска сигналов аннигиляции.
Может ли это свечение быть свидетельством существования тёмной материи? Вполне возможно. Но есть загвоздка: центр нашей галактики переполнен и более привычными источниками гамма-излучения, например, быстро вращающимися нейтронными звёздами, рождающимися при коллапсе массивных светил. Эти объекты способны производить гамма-лучи, очень похожие на ожидаемый сигнал от тёмной материи. Пока учёные не могут с уверенностью сказать, что именно вызывает это излучение — долгожданный прорыв или нечто гораздо более заурядное.
Подсказки от карликовых галактик
Чтобы разрешить загадку, исследователи изучают и гораздо меньшие системы — карликовые галактики, вращающиеся вокруг Млечного Пути. Они содержат много тёмной материи, но сравнительно мало других источников гамма-лучей, а значит, являются куда более чистой лабораторией для поиска. Окончательного обнаружения пока не произошло, однако анализ, опубликованный в марте 2024 года нашей группой из Университета Клемсона, выявил намёки на сигнал, исходящий от этих карликовых галактик, а обновлённые данные, собранные с тех пор, эти выводы подкрепляют.
Используя новейшую информацию Fermi-LAT, уточнённую перепись карликовых галактик и улучшенные оценки содержания в них тёмной материи, мы искали слабые гамма-сигналы по всей популяции карликовых спутников и обнаружили избыток гамма-лучей, на который намекали и более ранние работы. Чем больше данных мы накапливаем, тем более значимым этот избыток становится. Улики пока недостаточно сильны, чтобы объявить об открытии, но они крайне интригуют. Свойства этого сигнала также согласуются с тем, что наблюдается в центре Млечного Пути, и если оба сигнала имеют общее происхождение, позиции гипотезы тёмной материи серьёзно укрепятся.
Решающее десятилетие
Подтверждение сигнала потребует ещё больше данных и слаженной работы новых инструментов. Будущие наблюдения Fermi-LAT продолжат повышать чувствительность этих поисков, а новые обсерватории, такие как строящаяся в Чили Vera C. Rubin, как ожидается, откроют множество новых карликовых галактик для изучения. Ещё одна ключевая миссия — телескоп NASA COSI (Compton Spectrometer and Imager), запуск которого намечен на 2027 год. COSI предложит принципиально новый взгляд на гамма-небо и поможет прояснить несколько давних загадок, включая ещё одно необъяснимое яркое свечение из центра Галактики, возникающее при аннигиляции электронов и позитронов — точно так же, как при ПЭТ-сканировании. Несмотря на то, что этот сигнал был открыт более полувека назад, учёные до сих пор не знают, откуда берутся эти позитроны. Составив карту излучения с беспрецедентной детализацией, COSI сможет раскрыть природу этого свечения и его возможную связь с тёмной материей и другими необъяснёнными сигналами Млечного Пути.
Пока человечество прокладывает путь к Луне, Марсу и дальше, параллельно разворачивается и другая, не менее захватывающая гонка — охота за призрачной субстанцией, пронизывающей космос. С каждым новым наблюдением учёные, возможно, становятся на шаг ближе к ответу на один из самых фундаментальных вопросов физики: из чего на самом деле состоит Вселенная.
Источник: материал основан на публикации Space.com.
Ваш комментарий