Նախընտրելի
Պադովայի համալսարանի, DESY-ի, SLAC-ի և Կալիֆորնիայի Բերքլիի համալսարանի գիտնականների միջազգային խմբերը լայնածավալ հետազոտություն են անցկացրել՝ փնտրելու աքսիոններ՝ հիպոթետիկ մասնիկներ, որոնք կարող են կազմել մութ նյութը: Նրանց աշխատանքը, որը հրապարակվել է Physical Review Letters (PRL) ամսագրում, անսպասելիորեն ցույց է տվել մութ նյութի նշանների բացակայությունը M82 գալակտիկայում, որը հայտնի է իր ակտիվ աստղածնությամբ: Պատմում ենք, թե ինչ է հաջողվել պարզել և ինչպես է դա ազդում Տիեզերքի մեծագույն առեղծվածներից մեկի ընկալման վրա:
Ի՞նչ է մութ նյութը
Մութ նյութը խորհրդավոր նյութ է, որը կազմում է Տիեզերքի զանգվածի մոտ 27%-ը: Այն չի ճառագայթում, չի կլանում և չի արտացոլում լույսը, ինչը նրան գործնականում անտեսանելի է դարձնում ավանդական դիտարկման մեթոդներով: Նրա առկայությունը դրսևորվում է միայն գրավիտացիոն ազդեցության միջոցով. մութ նյութը պահում է գալակտիկաները, ազդում նրանց պտույտի և կոսմոսում կառուցվածքների ձևավորման վրա:
Մութ նյութի հիմնական թեկնածուներից մեկը աքսիոններն են՝ հիպոթետիկ թեթև մասնիկներ, որոնք առաջարկվել են 1977 թվականին՝ քվանտային քրոմոդինամիկայում ուժեղ CP-խախտման խնդիրը լուծելու համար: Տեսականորեն աքսիոնները կարող են ծնվել աստղերի միջուկներում, վերածվել ֆոտոնների (ռենտգենային ճառագայթների) գալակտիկայի մագնիսական դաշտերում և այդպիսով ստեղծել հայտնաբերվող ճառագայթում:
Ինչու՞ ընտրվեց M82 գալակտիկան
M82-ը (կամ NGC 3034) սիգարաձև գալակտիկա է՝ գտնվում Հաշտանման Հաշտոն աստղակերպում, Երկրից 12 միլիոն լուսային տարի հեռավորության վրա: Այն հայտնի է որպես աստղածին գալակտիկա՝ էքստրեմալ ակտիվությամբ. նրա միջուկում ամեն տարի ծնվում են տասնյակ նոր աստղեր, ինչը նրան դարձնում է աքսիոնների որոնման իդեալական «լաբորատորիա»: Գիտնականները ենթադրել են, որ M82-ի աստղերի տաք միջուկներում կարող են առաջանալ աքսիոններ, որոնք, լքելով աստղերը, վերածվում են ռենտգենային ֆոտոնների գալակտիկայի մագնիսական դաշտերում՝ ստեղծելով բնորոշ «փայլ»:
Ինչպե՞ս է անցկացվել հետազոտությունը
Երկու անկախ խմբեր օգտագործել են NuSTAR (Nuclear Spectroscopic Telescope Array) ռենտգենային տիեզերական աստղադիտակը, որն ունի բարձր զգայունություն 3–79 կէՎ էներգիայի միջակայքում: Նրանք վերլուծել են M82-ի ռենտգենային պատկերները՝ բացահայտելու ավելցուկային ճառագայթում, որը կարող էր ցույց տալ աքսիոնների քայքայումը:
Մեթոդը հիմնված էր հետևյալի վրա.
- Աստղերում ծնված աքսիոնները կարող են վերածվել ֆոտոնների գալակտիկայի ուժեղ մագնիսական դաշտերում (Պրիմակովի էֆեկտ):
- Այդ ֆոտոնները պետք է ստեղծեն նեղ սպեկտրային գիծ ռենտգենային միջակայքում, որը կախված է աքսիոնի զանգվածից:
- Գիտնականները փնտրել են նման գծեր M82-ի սպեկտրում՝ համեմատելով դրանք ֆոնային ճառագայթման հետ:
Դիտարկումներն անցկացվել են բարձր ճշգրտությամբ՝ հաշվի առնելով այլ ռենտգենային ճառագայթման աղբյուրների հնարավոր խանգարումները, ինչպիսիք են սև խոռոչները, նեյտրոնային աստղերը կամ տաք գազը:
Արդյունքներ. Աքսիոններ չեն հայտնաբերվել
Ի զարմանս գիտնականների, M82-ում չհաջողվեց հայտնաբերել աքսիոնների հետքեր: Ոչ մի խումբ չօգտագործեց բնորոշ սպեկտրային գծեր, որոնք կցուցադրեին աքսիոնների վերափոխումը ռենտգենային ֆոտոնների: Սա նշանակում է, որ կամ աքսիոնները չեն ծնվում M82-ի աստղերում սպասված քանակներով, կամ նրանց զանգվածն ու հատկությունները գտնվում են ուսումնասիրված միջակայքից դուրս:
Սակայն ազդանշանի բացակայությունը ձախողում չդարձավ: Ընդհակառակը, հետազոտությունը թույլ տվեց զգալիորեն նեղացնել աքսիոնների պարամետրերի միջակայքը.
- Բացառվել են աքսիոնների զանգվածները որոշակի միջակայքում (մոտավորապես 10⁻⁶–10⁻⁵ էՎ), որտեղ սպասվում էր դրանց հայտնաբերումը:
- Սահմանափակվել են աքսիոնների փոխազդեցության պարամետրերը ֆոտոնների հետ (g_aγ կապի հաստատունը), ինչը նեղացնում է որոնման տիրույթը:
Այս արդյունքները կարևոր քայլ դարձան մութ նյութի հատկությունների և նրա հնարավոր թեկնածուների ճշգրտման գործում:
Ինչու՞ է սա կարևոր
- Որոնման տիրույթի նեղացում.
- Որոշակի զանգվածների բացառումն օգնում է ֆիզիկոսներին կենտրոնանալ այլ միջակայքերի կամ այլընտրանքային թեկնածուների վրա, ինչպիսիք են WIMP-ները (սլաբո փոխազդող զանգվածային մասնիկներ) կամ ստերիլ նեյտրինոներ:
- Ֆոտոնների հետ աքսիոնների փոխազդեցության ճշգրտված պարամետրերը սահմանափակում են աստղերում դրանց առաջացման մոդելները:
- Աստղածին գալակտիկաների ընկալում.
- M82-ը պարզվեց, որ ավելի քիչ «աքսիոնային» է, քան սպասվում էր, ինչը կարող է ցույց տալ նրա միջուկում եզակի պայմաններ (օրինակ՝ թույլ մագնիսական դաշտեր կամ աքսիոնների ցածր խտություն):
- Սա բացում է հարցեր աքսիոնների վերափոխման մեջ մագնիսական դաշտերի դերի և դրանց ազդեցության մասին ռենտգենային ճառագայթման վրա:
- Առաջընթաց կոսմոլոգիայում.
- Հետազոտությունը հաստատում է, որ մութ նյութը մնում է ամենաբարդ առեղծվածներից մեկը: Նույնիսկ ազդանշանի բացակայությունը տրամադրում է արժեքավոր տեղեկություններ Տիեզերքի ավելի ճշգրիտ մոդելներ կառուցելու համար:
- Մեթոդաբանություն.
- NuSTAR-ի օգտագործումը աքսիոնների որոնման համար ապացուցեց ռենտգենային աստղագիտության արդյունավետությունը մութ նյութի ուսումնասիրությունում: Այս մոտեցումը կարող է կիրառվել այլ գալակտիկաների կամ օբյեկտների, ինչպիսիք են գալակտիկաների կուտակումները կամ նեյտրոնային աստղերը:
Ի՞նչ է պլանավորվում հետագայում
Խմբերը պլանավորում են շարունակել աքսիոնների որոնումը՝ ընդլայնելով հետազոտությունները.
- Նոր օբյեկտներ. Վերլուծել այլ աստղածին գալակտիկաներ, նեյտրոնային աստղեր կամ գալակտիկաների կուտակումներ, որտեղ մագնիսական դաշտերը կարող են ավելի ուժեղ լինել:
- Այլ աստղադիտակներ. Օգտագործել Chandra, XMM-Newton կամ ապագա XRISM՝ ռենտգենային գծեր փնտրելու համար ավելի բարձր զգայունությամբ:
- Այլընտրանքային մեթոդներ. Ուսումնասիրել աքսիոնների փոխազդեցությունը այլ մասնիկների հետ (օրինակ՝ էլեկտրոններ) կամ նրանց ազդեցությունը աստղերի էվոլյուցիայի վրա:
- Ցամաքային փորձեր. Նախագծեր, ինչպիսիք են ADMX (Axion Dark Matter eXperiment) և CAST (CERN Axion Solar Telescope), կլրացնեն աստղաֆիզիկական դիտարկումները՝ ստուգելով աքսիոնները լաբորատոր պայմաններում:
Բացի այդ, հետազոտության արդյունքները կարող են ազդել տեսական մոդելների վրա: Օրինակ, եթե աքսիոնները չեն ծնվում M82-ի աստղերում, դա կարող է ցույց տալ նրանց հատկությունները վերանայելու կամ մութ նյութի այլ թեկնածուներ փնտրելու անհրաժեշտությունը:
Կապ այլ հետազոտությունների հետ
Բացահայտումը համընթաց է մութ նյութի մյուս աշխատանքների հետ.
- 2024 թվականին LUX-ZEPLIN փորձը բացառել է WIMP-երի գոյությունը որոշակի զանգվածների միջակայքում, ինչը մեծացրել է հետաքրքրությունը աքսիոնների նկատմամբ:
- Fermi-LAT-ի դիտարկումները Ծիր Կաթինի կենտրոնում ցույց են տվել գամմա-ճառագայթների ավելցուկ, որը ոմանք կապում են մութ նյութի քայքայման հետ, սակայն առանց հաստատման:
- NGC 1277 գում (220 միլիոն լուսային տարի) նախկինում հաղորդվել է մութ նյութի պակասի մասին, որը կարող է կապված լինել M82-ի նման գործընթացների հետ:
Այս տվյալները ընդգծում են մութ նյութի որոնման բարդությունը և համապարփակ մոտեցման անհրաժեշտությունը:
Եզրակացություններ
NuSTAR-ով M82-ում աքսիոնների որոնումը չի բացահայտել մութ նյութի հետքեր, բայց դարձել է կարևոր քայլ գիտության մեջ: Երկ անկախ խմբեր նեղացրել են աքսիոնների հնարավոր զանգվածների և փոխդարձ ազդեցության պարամետրերի միջակայքը՝ բացառելով դրանց առկայությունը M82-ի աստղերում: Այս բացահայտումը ընդգծում է աստղածին գալակտիկաների եզակիությունը և մութ նյութի բնույթի բարդությունը: Գիտնականները շարունակում են հետազոտությունները նոր աստղադիտակներով և մեթոդներով՝ մեզ մոտեցնելով Տիեզերքի ամենամեծ առեղծվածներից մեկի լուծմանը:
