Интересните начини за търсене на тъмната материя

Една от най-големите загадки на съвременната космология е тъмната материя – мистериозно вещество, което не може да се наблюдава пряко, но участва в гравитационните взаимодействия. Изследователите са на мнение, че тъмната материя може да обясни не само редица астрофизични явления, като движението и струпването на галактики, но и самия произход на живота. Само че тази мистериозна материя е напълно невидима, тъй като не излъчва светлина или енергия и затова е невъзможно да бъде открита. И въпреки че физиците считат, че ключът към неуловимата природа на тъмната материя се крие в нейния състав, последният също не може да бъде определен. Все пак надеждата умира последна – Европейската космическа агенция (ЕКА) наскоро показа първите тестови снимки, направени от космическия телескоп „Евклид“, с който физиците се надяват най-накрая да открият тъмната материя (и не само). Но това далеч не е всичко.

Може ли тъмната материя да бъде открита с телескопи, атомни часовници и подземни детектори?

Астрономическите наблюдения показват наличието на „тъмна материя“, която съставлява над 80% от цялата материя във Вселената. Поразително е, че и досега няма достоверни доказателства, че тъмната материя взаимодейства с фотоните – фундаменталните частици на светлината. Именно поради тази липса на взаимодействие тя се нарича „тъмна“. Съставът на тъмната материя и всички потенциални неизвестни взаимодействия с обикновената материя си остават загадка за нас.

Дали тъмната материя е съставена от частици?

Счита се, че тъмната материя съставлява около 80% от материята във Вселената и е отговорна за голяма част от гравитационното взаимодействие, което обуславя формирането на структури като галактиките. Докато Слънчевата система се върти около центъра на Млечния път, нашата планета се движи през ореола на тъмната материя (която съставлява по-голямата част от материята в Галактиката).

Тъй като тъмната материя не може да бъде наблюдавана пряко, физиците работят върху различни начини за нейното откриване. Така например според една от популярните теории тъмната материя е нов вид слабо взаимодействащи WIMP частици. Смята се, че те нямат маса и много рядко взаимодействат с обикновената материя, но вместо това WIMP частиците взаимодействат с гравитацията.

През изминалите 30 години учените разработиха експериментална програма, с която се опитват да открият редките взаимодействия между WIMP и обикновените атоми. На Земята обаче ние постоянно сме заобиколени от ниски, неопасни нива на радиоактивност от микроелементите – главно уран и торий – в околната среда, както и от космическите лъчи от космоса.

За да потвърдят дали WIMP са наистина съставните частици на тъмната материя, изследователите работят по създаването на детектор, който да е възможно най-чувствителен към откриването на тъмната материя. Този детектор трябва да бъде разположен на възможно най-спокойното място, така че сигналът на мистериозната материя да се разпознава на фона на… радиоактивността.

Точно това са успели да направят физиците от колаборацията LUX-ZEPLIN, или LZ, съобщава The Conversation – изследователите са изградили най-големия до този момент детектор на тъмна материя и са го инсталирали на 1478 метра под земята (за да блокират космическата радиация) в изследователския център Санфорд в Лида“, се казва в статията.

В центъра на LZ се намират 10 000 килограма течен ксенон. Когато частиците преминават през детектора, те могат да се сблъскат с атомите на ксенона, предизвиквайки изблик на светлина и освобождаване на електрони. Резултатите от иновативната работа бяха публикувани през месец юли в списание Physics Review Letters.

И все пак, въпреки положените усилия, учените не успяват да открият потенциалните частици тъмна материя – както се казва в изследването, детекторът регистрира около пет събития на ден. След като са проучили характеристиките на тези събития, физиците могат с увереност да кажат, че нито едно от тях не е причинено от тъмна материя. Уви, тя остава невидима. Изследователите обаче продължават да събират данни и може би в близкото бъдеще ще успеят да открият тези мистериозни частици.

Може ли космически телескоп да открие тъмна материя?

Изследователи от Европейската космическа агенция (ЕКА) наскоро показаха първите снимки от космическия телескоп „Евклид“, докато той се приближава към крайната си орбита около Земята. Когато този астрономически инструмент достигне целта си, той ще може да предостави на света радикално ново разбиране за формирането и разширяването на Вселената и за ролята, която тъмната енергия, тъмната материя и гравитацията играят във всичко това.

Първите тестови снимки, направени от двете бордови камери на телескопа – Инструментът VIS за видимия спектър на светлината, както и Спектрометърът и фотометърът за изображения в близкия инфрачервен спектър (NISP) – представят серия от подробни изображения на нощното небе, показващи огромна колекция от звезди, звездни купове и галактики.

Кнуд Янке от Института по астрономия „Макс Планк“, партньор, участващ в проекта, казва, че изображенията „все още не са подходящи за научни цели“, но инструментите се представят „отлично в космоса“.

Първите изображения показват участък от небето, който е с размери около „една четвърт от ширината и височината на пълната Луна“. Представители на ЕКА казват, че чрез обработката на изображенията и премахването на „нежеланите артефакти“, като например космическите лъчи, изображенията ще станат по-детайлни и следователно ще могат да се използват за научни цели.

И тук ще трябва доста да се изчака – телескопът ще започне да получава използваеми изображения през месец октомври 2023 г., след като достигне крайната си позиция на разстояние около 1,5 милиона километра от Земята, след като приключи около тримесечната „фаза на въвеждане в експлоатация и валидиране“ (която започна след изстрелването на телескопа в началото на юли).

Трябва да се отбележи, че „Евклид“ се различава от другите добре познати космически телескопи като „Хъбъл“ и „Джеймс Уеб“ – вместо да търси конкретни космически обекти и детайли, „Евклид“ ще прекара шестте си години на работа с поглед 10 милиарда години в миналото. Представители на космическата агенция твърдят, че той ще им помогне да отговорят на редица въпроси, свързани с основните физични закони на Вселената, както и да научат как е възникнала и от какво всъщност е съставена.

Тъмната материя и атомните часовници

Друга многообещаваща теория в търсенето на тъмната материя е свързана с константата на фината структура (fine structure constant) – естествена константа, която описва силата на електромагнитното взаимодействие. Смята се, че тя определя мащаба на атомната енергия и по този начин влияе на честотите на преходите, които се използват като референтни в атомните часовници.

Атомният часовник е най-точното устройство за измерване на времето, което се състои от няколко компонента, а неговата електроника се грижи за стабилността на работата и точността на механизма. Самите тези устройства не са тежки и малки (а определянето на секундата се основава на колебанията на цезиевия атом).

Тъй като различните преходи са в различна степен са чувствителни към възможните промени в константата на фината структура, сравнението на атомните часовници може да се използва за търсене на тъмната материя. Поради тази причина физиците използват атомен часовник, особено чувствителен към възможни промени в константата на фината структура, като го сравняват с два други атомни часовника с по-ниска чувствителност към нея при измервания в продължение на няколко месеца.

Получените по време на тази работа резултати разкриват наличието на осцилации, характерни за тъмната материя. Но тъй като не бяха регистрирани по-значителни осцилации, тъмната материя така си и остана неоткрита дори при по-внимателно изследване.

По този начин учените така и не успяват да открият мистериозната тъмна материя и в трите описани дотук експеримента. Това обаче не означава, че никога няма да я открием – изследванията продължават, което означава, че ще има и други идеи и начини за издирване на най-мистериозната материя във Вселената. Ние ще трябва да изчакаме!