Команда ученых Токийского столичного университета добилась успехов в поисках темной материи, наблюдая за галактиками с помощью новой спектрографической технологии и Магелланова телескопа. Точные измерения в инфракрасном диапазоне, проведенные всего за 4 часа наблюдений, позволили установить новые пределы времени жизни темной материи. Полученные результаты, опубликованные в журнале Physical Review Letters, подчеркивают исключительную полезность технологии и расширяют поиск в менее изученных частях спектра.
На протяжении последнего столетия космологи сталкивались с очевидным несоответствием в том, что они видели во Вселенной. Например, наблюдения за вращением галактик указывают на то, что во Вселенной существует гораздо больше массы, чем мы можем видеть. Физики назвали эту «недостающую» массу «темной материей». Феноменально сложным поиск темной материи делает тот факт, что мы не только не можем ее увидеть, но и не имеем четкого представления о том, что именно мы ищем.
Теперь исследователи начали использовать сочетание моделей и современных наблюдений, чтобы установить ограничения на свойства, которыми может обладать темная материя. Недавно группа ученых из Японии под руководством доцента Вена Йина из Токийского столичного университета использовала новую спектрографическую технику для наблюдения за светом, исходящим от двух галактик — Leo V и Tucana II. Они использовали 6,5-метровый Магелланов телескоп в Чили для сбора света, приходящего на Землю, уделяя пристальное внимание инфракрасной области спектра.
Команда сосредоточилась на перспективном кандидате в темную материю, аксионноподобной частице (ALP), и рассмотрела, как она «распадается» и спонтанно излучает свет. Ведущие теоретические модели делают ближнюю инфракрасную часть спектра особенно перспективным местом для поиска. Однако инфракрасная часть электромагнитного спектра также является переполненной и запутанной. Это связано с огромным количеством источников шума и помех от других источников. Например, зодиакальный свет, тусклое рассеяние солнечного света межзвездной пылью и свет, излучаемый атмосферой, когда она нагревается солнцем.
Чтобы обойти эту проблему, в своей предыдущей работе ученые предложили новую методику, которая использует тот факт, что фоновое излучение имеет тенденцию включать более широкий диапазон длин волн, в то время как свет от конкретного процесса распада сильно смещен в узкий диапазон. Как свет, льющийся через призму, становится тусклее по мере того, как различные цвета распространяются все тоньше и тоньше, так и события распада, ограниченные узким диапазоном, становятся все более резкими. Различные современные инфракрасные спектрографы, такие как NIRSpec на космическом телескопе Джеймса Уэбба, WINERED на телескопе Магеллана Клэя и многие другие, могут быть использованы для реализации этой техники, эффективно превращая эти приборы в отличные детекторы темной материи.
Благодаря точности разработанной технологии (WINERED), ученые смогли учесть весь свет, обнаруженный в ближнем инфракрасном диапазоне, со значительной статистической точностью. Тот факт, что распад не был обнаружен, был использован для установления верхнего предела частоты этих событий распада или нижнего предела времени жизни частиц ALP. Новая нижняя граница в секундах равна 10 с 25-26 нулями после нее, что в 10 – 100 миллионов раз больше возраста Вселенной.
Результаты исследования важны не только потому, что это самый строгий предел для времени жизни темной материи. В работе используются передовые технологии инфракрасной космологии для решения проблем фундаментальной физики частиц. И хотя выводы основаны на тщательном анализе полученных данных, есть намеки на аномалии или «избытки», которые открывают заманчивую перспективу реального обнаружения темной материи при наличии большего количества информации. Поиски недостающего фрагмента нашей Вселенной продолжаются.
