На uCrazy 8 лет 11 месяцев
Аксионы — таинственные частицы в центре галактик
Несмотря на активное изучение космоса, понять многие его процессы мы пока не можем. Особенно остро стоит вопрос о темной материи, которая составляет более 20% Вселенной. Из чего сделано это вещество? Это один из самых сложных вопросов современной астрономии. Ученые предполагают, что темная материя состоит из аксионов. Что это такое, и причем тут черные дыры — об этом и не только в данном материале.
Таинственные частицы
Существование темной материи было доказано и не раз. Сделано это благодаря наблюдениям за ее гравитационным влиянием на все объекты в космосе. Но из чего состоит темная материя? Пока лучшей гипотезой, объясняющей это, является некая новая частица, которая никак не взаимодействует с обычной материей. Экзотический элемент назвали аксионом.
Физики из американского института вместе с учеными из других стран провели первый эксперимент по обнаружению таинственной частицы. По предположению исследователей, аксионы одни из самых легких во Вселенной. И если бы они существовали, то все равно были бы невидимыми. Но аксионы должны быть, и могут составлять весомую часть Вселенной.
Если допустить, что эта частица в самом деле составляет темную материю, то становятся понятными многие процессы. Это могло бы объяснить кривые вращения внутри галактик. Также стало бы понятным движение галактик в скоплениях галактик. При этом аксион мог бы существовать еще в ранней Вселенной. Это предположение в таком случае соответствовало бы наблюдению космического микроволнового фона.
Поиски аксионов
Из-за их электромагнетического взаимодействия теоретически аксионы могут проявить себя вокруг магнетаров. Это тип нейронной звезды, имеющий крайне мощное магнитное поле. Если аксионы существуют, то они могут использовать магнитное поле магнетара для преобразования себя в радиоволны. Таким образом специальные телескопы на Земле могли бы их обнаружить.
Вдохновившись этой идеей в 2016 году трое теоретиков разработали эксперимент по обнаружению аксионов. Команда предложила конструкцию маленького магнита, похожего на пончик. Его клали в холодильник при температуре чуть выше абсолютного нуля. Без аксионов не должно быть магнитного поля в центре пончика. Однако если частицы существуют, детектор должен «видеть» магнитное поле в середине магнита.
Это сложный эксперимент, потому что ожидаемый сигнал составляет менее 20 аттотесла (10 в степени -18). Для сравнения: магнитное поле Земли — 30 микротесла (10 в степени -6), а волны человеческого мозга — 1 пикотесла (10 в степени -12). При построении эксперимента ученые столкнулись с двумя проблемами: вибрации от холодильника и помехи в окружающей среде. Первое решено при помощи тонкой нити, а второе — путем экранирования.
В 2018 году команда провела первый прогон своего эксперимента. Проанализировав данные, они не обнаружили никаких свидетельств наличия аксионов в диапазоне масс от 0,31 до 8,3 наноэлектровольт. Эксперимент предназначен для обнаружения частиц еще меньшей массы: вплоть до 1 фемтоэлектронвольт. А также для больших величин: размером до 1 микроэлектронвольта. В дальнейшем команда планирует продолжить эксперимент по поиску более слабых аксионов.
Черные дыры могут помочь в поисках
Природу аксионов могут объяснить черные дыры. Помимо результатов, полученных при помощи телескопа «Горизонт событий», у нас нет прямых наблюдений сверхмассивных черных дыр. Можно видеть только материал, который кружится вокруг них. И по свойствам этих веществ можно оценить размер и массу черных дыр. Используя эти методы, было обнаружено, что массивные галактики содержат более крупные черные дыры в своих центрах. Это говорит о том, что черные дыры каким-то образом развивались вместе с галактиками.
И разгадка может крыться в аксионах, находящихся в центрах этих галактик. Если было так, то черные дыры не обязательно должны были развиваться вместе со своими галактиками. На самом же деле именно аксионы могли эволюционировать с галактиками. Чем она больше, тем больше аксионной темной материи она бы содержала и тем больше ядро аксиома в центре.
Возможно, это предположение откроет тайну существования аксионов. И уже в будущем мы сможем узнать, связаны ли гипотетические частицы с темной материей.
Если допустить, что эта частица в самом деле составляет темную материю, то становятся понятными многие процессы. Это могло бы объяснить кривые вращения внутри галактик. Также стало бы понятным движение галактик в скоплениях галактик. При этом аксион мог бы существовать еще в ранней Вселенной. Это предположение в таком случае соответствовало бы наблюдению космического микроволнового фона.
Поиски аксионов
Из-за их электромагнетического взаимодействия теоретически аксионы могут проявить себя вокруг магнетаров. Это тип нейронной звезды, имеющий крайне мощное магнитное поле. Если аксионы существуют, то они могут использовать магнитное поле магнетара для преобразования себя в радиоволны. Таким образом специальные телескопы на Земле могли бы их обнаружить.
Магнетар в представлении художника
Вдохновившись этой идеей в 2016 году трое теоретиков разработали эксперимент по обнаружению аксионов. Команда предложила конструкцию маленького магнита, похожего на пончик. Его клали в холодильник при температуре чуть выше абсолютного нуля. Без аксионов не должно быть магнитного поля в центре пончика. Однако если частицы существуют, детектор должен «видеть» магнитное поле в середине магнита.
Это сложный эксперимент, потому что ожидаемый сигнал составляет менее 20 аттотесла (10 в степени -18). Для сравнения: магнитное поле Земли — 30 микротесла (10 в степени -6), а волны человеческого мозга — 1 пикотесла (10 в степени -12). При построении эксперимента ученые столкнулись с двумя проблемами: вибрации от холодильника и помехи в окружающей среде. Первое решено при помощи тонкой нити, а второе — путем экранирования.
В 2018 году команда провела первый прогон своего эксперимента. Проанализировав данные, они не обнаружили никаких свидетельств наличия аксионов в диапазоне масс от 0,31 до 8,3 наноэлектровольт. Эксперимент предназначен для обнаружения частиц еще меньшей массы: вплоть до 1 фемтоэлектронвольт. А также для больших величин: размером до 1 микроэлектронвольта. В дальнейшем команда планирует продолжить эксперимент по поиску более слабых аксионов.
Черные дыры могут помочь в поисках
Природу аксионов могут объяснить черные дыры. Помимо результатов, полученных при помощи телескопа «Горизонт событий», у нас нет прямых наблюдений сверхмассивных черных дыр. Можно видеть только материал, который кружится вокруг них. И по свойствам этих веществ можно оценить размер и массу черных дыр. Используя эти методы, было обнаружено, что массивные галактики содержат более крупные черные дыры в своих центрах. Это говорит о том, что черные дыры каким-то образом развивались вместе с галактиками.
Черная дыра в представлении художника
И разгадка может крыться в аксионах, находящихся в центрах этих галактик. Если было так, то черные дыры не обязательно должны были развиваться вместе со своими галактиками. На самом же деле именно аксионы могли эволюционировать с галактиками. Чем она больше, тем больше аксионной темной материи она бы содержала и тем больше ядро аксиома в центре.
Возможно, это предположение откроет тайну существования аксионов. И уже в будущем мы сможем узнать, связаны ли гипотетические частицы с темной материей.
Комментариев пока нет
