Это не частицы, это ключи к альтернативной Вселенной, и мы почти коснулись их — но промахнулись

Поиск тёмной материи остаётся одной из самых захватывающих и одновременно загадочных задач современной физики. Убеждённость в её существовании опирается на гравитационные эффекты, которые физики обнаруживают в масштабах галактик и скоплений, однако сама субстанция по-прежнему ускользает от прямого наблюдения. Она не испускает света, не поглощает его и не взаимодействует с ним привычным образом. В этом контексте аксионы — гипотетические элементарные частицы — выглядят особенно привлекательно: они обладают предельно слабыми связями с обычным веществом и могут объяснить природу невидимой массы.

Две независимые научные группы — одна с участием учёных из университетов Падуи, Сарагосы, Технического университета Дортмунда, а также центров DESY и SLAC, вторая из Калифорнийского университета в Беркли — подошли к поиску аксионов с новой стороны . Вместо лабораторных экспериментов они обратились к астрономии, задействовав данные рентгеновского телескопа NuSTAR, наблюдавшего галактики M82 и M87 . Подход базировался на предположении, что эти частицы могут рождаться в недрах звёзд и оставлять после себя еле уловимые следы в виде необычного рентгеновского излучения.

Авторы первой работы сосредоточили внимание на процессах, происходящих в так называемых звёздообразующих галактиках — регионах с особенно высокой интенсивностью формирования светил. Одним из характерных примеров служит галактика M82, получившая неофициальное название «Сигара». Внутри подобных систем обитает множество массивных объектов с температурами, достигающими сотен миллионов Кельвинов. В таких условиях в горячей плазме возникают квантовые процессы, при которых фотоны способны превращаться в аксионы с крайне малой вероятностью. Эти гипотетические частицы, практически не взаимодействуя с окружающей средой, покидают плотные области, продолжая движение в межзвёздном пространстве. Спустя десятки тысяч лет они распадаются, испуская рентгеновское излучение.

Особенность сигнала, который должен возникать при распадах - в его спектре: излучение будет более жёстким по сравнению с обычным фоном и иметь характерное угловое распределение. Это отличает его от стандартных рентгеновских потоков, порождаемых другими источниками в галактике.

Команда под руководством Эдоардо Витальяно тщательно просчитала, как именно должен выглядеть рентгеновский «ореол» вокруг M82, если аксионы действительно присутствуют. Используя данные NuSTAR, собранные в течение более миллиона секунд наблюдений, исследователи попытались найти следы этого ореола — и не обнаружили его. Отсутствие сигнала позволило им установить новые ограничения: если аксионы существуют, их взаимодействие с фотонами должно быть ещё слабее, чем предполагалось до сих пор.

Хотя само открытие не произошло, полученные результаты значительно продвинули границу допустимых параметров. Команда исследовала область масс аксионов ниже одного мегаэлектронвольта, где ранее наблюдения были невозможны или малочувствительны. При этом M82 оказалась идеальным объектом: здесь сочетаются высокая плотность массивных звёзд и умеренные релятивистские эффекты, не мешающие интерпретации сигнала.

Без внимания в работе не остались и потенциальные последствия открытия аксионов в этом диапазоне масс: они могли бы указать на относительно низкую температуру в момент окончания инфляции — раннего периода расширения Вселенной. Это дало бы редкую возможность заглянуть в условия, при которых формировалась первичная космологическая среда.

Коллектив Витальяно планирует расширить свои наблюдения за счёт других астрономических источников. Их интересуют области, где условия достаточно экстремальны для генерации новых частиц, но не настолько, чтобы распады тормозились из-за эффекта замедления времени — явления, знакомого по специальной теории относительности .

Тем временем исследователи из Беркли — Орион Нинг и Бенджамин Сафди — предложили перенести один известный лабораторный принцип на масштаб целой галактики. Речь идёт об экспериментальной концепции, условно называемой «свет сквозь стены», в которой обычный фотон превращается в аксион, проходит через непрозрачный материал, а затем снова становится фотоном. В адаптированной для астрофизики версии роль источника играют звёзды, где фотоны могут переходить в аксионы внутри горячей плазмы, свободно покидать плотные области и, пройдя сквозь межзвёздную среду, сталкиваться с магнитными полями, которые запускают обратный процесс. В результате в космосе появляется слабое, но фиксируемое инфракрасное или рентгеновское свечение, которое можно зарегистрировать с помощью орбитальных обсерваторий вроде NuSTAR.

Нинг и Сафди сосредоточились не только на M82, но и на гигантской эллиптической галактике M87. Они рассчитывали, что использование целых галактик как источников позволит многократно увеличить плотность аксионного потока по сравнению с расчётами, основанными на отдельных звёздах. Это, в свою очередь, повысит шансы уловить сигналы взаимодействий.

Проведённый анализ данных NuSTAR вновь не выявил признаков аксионного свечения. Однако учёные получили более жёсткие ограничения на взаимодействие аксионов с массами менее 10⁻¹⁰ электронвольта с фотонами. Эти результаты стали одними из самых строгих на сегодняшний день для лёгких частиц такого типа.

Сейчас в Беркли развивают свою концепцию в нескольких направлениях. Одна из целей — поиск аксионов, взаимодействующих не с фотонами, а с электронами. Другой фокус — аксионы, возникающие в результате связей с нуклонами, то есть протонами и нейтронами. В этих сценариях включаются механизмы ядерной физики и термоядерных процессов.

Группа Витальяно изучает модель, в которой аксионы, не успев распасться, могут скапливаться под действием гравитации вблизи звёздных объектов, образуя своеобразные «бассейны». Следы таких накоплений можно попытаться выявить с помощью других телескопов, в том числе европейского аппарата INTEGRAL.

Даже без обнаружения самих частиц обе работы представляют собой важный шаг в сужении параметров их существования. Каждая новая граница, обозначенная наблюдением, делает будущие исследования более прицельными — и приближает момент, когда загадка тёмной материи наконец получит конкретное объяснение.