Физики Бенджамин Робертс (Benjamin Roberts) и Андрей Деревянко из университета штата Невада в Рено (США) на ежегодном заседании Американского физического общества рассказали об опыте использования данных орбитальных спутников GPS для поиска темной материи. Ученые не обнаружили так называемых топологических дефектов в космическом пространстве, которые указывали бы на присутствие темной материи, но они значительно сузили характеристики того, как подобные дефекты, если они существуют, будут взаимодействовать с обычным веществом. Об исследовании рассказывает Science.
Астрофизики считают, что на долю темной материи приходится 85% от всей массы во Вселенной. Тем не менее, никому не удавалось ее наблюдать непосредственно — на ее существование косвенно указывает сила притяжения во Вселенной, которая не могла бы исходить только от видимой ее массы.
В течение многих десятилетий физики пытались обнаружить так называемые слабо взаимодействующие массивные частицы, претендующие на роль единиц темной материи. Однако энтузиазм исследователей начал угасать, когда самые современные высокочувствительные детекторы не смогли «уловить» частицы, согласно теории, двигающиеся по нашей галактике и проходящие через Землю. Теперь физики все чаще думают в более широком контексте о том, что же может представлять из себя загадочная темная материя.
Так, высказываются идеи, что темная материя может быть представлена не новой субатомной частицей, а чем-то куда более странным — например, макроскопическими дефектами в безвоздушном пространстве, названными топологическими дефектами. Феномен топологических дефектов лучше всего объясняется при проведении аналогии с магнитными материалами, такими как никель. Атомы этого металла действуют как маленькие магниты, и при температуре ниже определенного уровня соседние атомы, как правило, «смотрят» в одном направлении, усиливая магнитное поле друг друга. Но такой порядок может обнаруживать дефекты, если, например, атомы в различных участках имеют разное направление. В таких ситуациях регионы разделяются бугристой поверхностью, называемой «доменной стенкой», которая составляет один тип топологического дефекта. Кроме того, могут встречаться точечные и линейные дефекты.
Нечто подобное теоретически может случиться в самом пространстве. Некоторые теории предсказывают, что пустое пространство во Вселенной заполнено квантовым полем. Если это поле взаимодействует с самим собой, как во времена ранней Вселенной, когда она расширялась и остывала, оно может принимать значения или «фазы», которые будут немного напоминать порядок атомов никеля. Участки пространства с различными «фазами» в этом случае должны быть разделены доменными стенками. Эти доменные стенки будут иметь энергию, и согласно известной эквивалентности Эйнштейна, массу. Таким образом, они будут генерировать гравитацию и, может, именно они и составляют таинственную «темную материю».
Авторы нового исследования Робертс и Деревянко говорят, что они выполнили самый строгий поиск для топологии темной материи, используя архивные данные сети из 31 орбитального GPS-спутника. Каждый такой спутник оснащен атомными часами и, собственно, сообщает устройствам данные о времени. Приемники на Земле — например, ваш смартфон — используют эту информацию, чтобы определить, насколько далеки они от каждого из них, и таким образом вычисляют свое местоположение.
Но как использовать данные спутников для поиска темной материи? В этом случае исследователи прибегли к другой немного спекулятивной теории. В физике имеется концепция, согласно которой в пределах топологического дефекта константы природы изменятся. В частности, такой дефект должен вступить во взаимодействие с так называемой постоянной тонкой структурой, которая определяет прочность электромагнитной силы и точную частоту излучения, поглощаемую или испускаемую атомом, когда электрон в нем переходит из одного квантованного уровня энергии в другой. Известно, что атомные часы работают путем измерения именно такой частоты. Таким образом, если через GPS-спутник пройдет топологический дефект, хронометр спутника должен пропустить удар.
Конечно, отставание атомных часов на один удар не было бы достаточным доказательством существования топологических дефектов. Поэтому исследователи искали более сильный сигнал — волны временных сдвигов, которые могут заполнить всю глобальную сеть GPS, площадью более 50 тыс. км.
Проанализировав данные за 16 лет, ученые не нашли никаких признаков сдвига более чем на половину наносекунды. Но они установили ограничение на количество таких топологических дефектов и на то, насколько сильно они должны взаимодействовать с веществом. Эти ограничения установились на уровне, до шести раз превышающем те, что были определены предыдущими исследованиями взрывов сверхновых. «Исследователи еще не достигли ограничений, установленных шумом часов, таким образом, есть много возможностей для улучшения [концепции]», — говорит Бенджамин Робертс.
Эксперты положительно оценивают работу, проводимую группой Робертса и Деревянко, но отмечают, что есть пути ее совершенствования. Так, физик-теоретик Гленнис Феррар (Glennys Farrar) из Нью-Йоркского университета (США) говорит, что это оригинальное исследование, которое следует продолжать. Вместе с тем она отмечает, что модель темной материи, взятая в нем за основу, выглядит «довольно узкой».
Исследователь Дмитрий Будкер из университета Майнца имени Иоганна Гуттенберга (Германия) указывает, на то, что это захватывающее исследование, затраты на проведение которого практически равны нулю. По его мнению, она примечательна как одна из новаторских работ по поиску различных типов темной материи.
Читайте также на портале Научная Россия о «плюсах» нулевого результата эксперимента LUX, который не увидел частиц темной материи.
