Темную материю есть шанс зарегистрировать существующими сегодня радиотелескопами
Радиотелескоп не может напрямую наблюдать темную материю, но он может наблюдать явления, которые темная материя инициирует
Темная материя, составляет около 26% всей массы Вселенной. Она не излучает, не поглощает и не отражает электромагнитные волны и не может быть непосредственно обнаружена с помощью обычных телескопов. Поэтому астрофизики уже несколько десятилетий пытаются найти альтернативные методы обнаружения темной материи.
Астрофизики из Университета Цинхуа, Обсерватории Пурпурных гор и Пекинского университета изучили возможность обнаружения с помощью радиотелескопа так называемых темных фотонов, — частиц-кандидатов темной материи.
«В предыдущей работе мы изучали преобразование темных фотонов в обычные фотоны в солнечной короне», — говорит Хайпенг Ан, соавтор работы. — «Этот процесс включает в себя возбуждение свободных электронов полями темных фотонов, что в свою очередь приводит к испусканию обычных фотонов».
Основываясь на этой работе, астрофизики рассмотрели возможность регистрации таких возбужденных темными фотонами электронов телескопом FAST или «Сферическим Радиотелескопом с Пятисотметровой Апертурой», расположенном на юге Китая, в провинции Гуйчжоу. Несмотря на название, фактически FAST использует параболический рефлектор с апертурой 300 м.
Астрофизики показали, что для регистрации электронов, возбужденных темными фотонами, рефлектор телескопа должен быть сферическим, а приемник сигнала должен располагаться в центре сферы. По проблема в том, что существующие сегодня радиотелескопы, в том числе FAST, предназначены для наблюдения удаленных радиосигналов, поэтому форма их тарелки параболическая, а приемник помещен в точку фокуса.
Это означает, что электромагнитные сигналы, вызванные темными фотонами, не попадают в приемник. Но в новой работе астрофизики показали, что существующие радиотелескопы все-таки можно применить для «ловли» темных фотонов.
Как поймать темный фотон
Ан говорит: «Летом 2021 года меня пригласили прочитать лекции о темной материи в летней школе космологии, проводимой на площадке FAST. Я узнал, что приемник, подвешенный над тарелкой, можно перемещать. Это сделано, чтобы телескоп мог наблюдать радиоволны с разных направлений. А потом я подумал, что хотя вызванные темными фотонами электромагнитные волны не фокусируются на приемнике, эти волны должны формировать хорошо предсказуемое теоретически распределение в верхней части тарелки».
Схема работы, предложенная астрофизиками примерно такая. Проводится теоретический расчет полей свободных электронов, порожденных воздействием темных фотонов. Подвижный приемник в разных положениях над тарелкой радиотелескопа собирает электромагнитные сигналы. Сигналы, собранные приемником, сравнивают с распределениями, предсказанными теорией. Если зарегистрированное распределение совпадет с теоретическим предсказанием, это станет сильным подтверждением в пользу того, что именно темные фотоны составляют темную материю.
Астрофизики вычислили распределение, которое соответствует присутствию темных фотонов. Ученые пришли к выводу, что FAST может обнаружить темную материю, если темная материя действительно состоит из темных фотонов, и они находятся в предсказанном интервале масс.
«Мы рассчитали потенциальную чувствительность телескопа LOFAR в Нидерландах и будущего телескопа радиоинтерферометра SKA в ЮАР (там расположен уже работающий MeetKAT) и Австралии и обнаружили, что они оба имеют потенциал для обнаружения темной фотонной материи», — говорит Ан.
В целом, анализ, проведенный астрофизиками, многообещающий: вероятно, радиотелескопы могут обнаружить темные фотоны.
Темный фотонный фон
«В начале 1960-х годов, проводя исследования в области радиоастрономии, Пензиас и Уилсон наткнулись на неожиданный фоновый шум», — говорит Ан. — «А потом оказалось, что этот шум является космическим микроволновым фоновым излучением. Это стало важным доказательством раннего расширения Вселенной. Сверхлегкие темные фотоны проявляют себя за счет "смешивания" с обычными фотонами. Это похоже на космическое микроволновое излучение. С помощью современных радиотелескопов можно расслышать этот едва уловимый шепот темного мира».
Астрофизики считают, что сверхлегкие темные фотоны можно зарегистрировать с помощью тех же приборов, которые обычно используются для наблюдения космического микроволнового фона.
Ан говорит: «Мы планируем искать сигналы темной фотонной материи в данных телескопов LOFAR и MeerKAT. Мы планируем применить эту идею и для поиска аксионной темной материи, еще одного конкурентоспособного кандидата на сверхлегкую темную материю».