Учени ще търсят тъмна материя на нашия космически праг – в йоносферата на Земята

Международен екип от изследователи предлага нов метод за търсене на „неоткриваемата“ тъмна материя. Те ще се опитат да открият следи от нея в йоносферата на Земята.

Предполагаемата тъмна материя?

Тъмната материя представлява хипотетична форма на материя, която не встъпва в електромагнитни взаимодействия, тоест не излъчва светлина и никакви други известни на хората сигнали, които биха позволили тя да бъде изследвана. Предполага се, че тя е част от Вселената и представлява около 22% от цялата материя във нея, тоест около пет пъти повече от обичайната барионна материя. Тъмната материя оказва гравитационни въздействия и влияе върху движението на звездите в нашата и други галактики. Откриването и би се превърнало в знаменателен научен пробив и както астрофизикът Анди Тейлър от университета в Единбург подчертава:

„Не можем да кажем, че разбираме Вселената, ако природата на нейните тъмни компоненти остава загадка.“ (освен тъмната материя се има предвид и тъмната енергия).

Съществува ли тъмна материя?

Съществуването на тъмна материя се подкрепя от множество астрофизични и космологични доказателства: от необяснимите криви на въртене на някои галактики до тяхното формиране и еволюцията след Големия взрив. Опитите да се обяснят тези доказателства с помощта на модификации на съществуващи теории, без да се вземе предвид тъмната материя, засега са неуспешни. По-голямата част от астрономите смятат, че тъмната материя представлява някаква неизвестна форма на материя, която рядко взаимодейства със светлината или с обикновената видима материя.

Според една от версиите тъмната материя може да се състои от все още неоткритите така наречени частици WIMP – свръхтежки и студени частици, които не се проявяват по никакъв начин, освен чрез привличане на видими клъстери. Тяхното търсене досега винаги е завършвало с неуспех.

Алтернативната хипотеза е ,че тъмната материя е изключително лека. Хипотетично тя се състои от частици, известни като “аксиони” ( сходни по маса и свойства с неутриното) или „тъмни“ фотони и това и позволява да се държи като голяма вълна, движеща се през пространството.

Досегашни опити за търсене на тъмна материя

Една от първите инсталации, свързана с откриване на тъмна материя е XENONT1, която е проектирана и изработена в италианската лаборатория Гран Сасо през 2014 година за търсене на следи от „тежка” тъмна материя, в частност за хипотетичното съществуването на “вимпове” (WIMP –слабо взаимодействаща тежка частица). Инсталацията представлява голям цилиндричен съд запълнен с три тона свръхчист ксенон -124. Детекторът е разположен дълбоко под земната повърхност за да може да бъде максимално добре защитен от космическите лъчи и други източници на частици. Ядрата на атомите на този газ по предположенията на учените е трябвало да взаимодействат с „вимповете”. Това би могло да се открие, наблюдавайки за проблясъците на светлина вътре във втечнения ксенон с помощта на фотоумножители и специализирани датчици за светлина. В последствие бяха създадени около дузина подобни инсталации с такива размери и маси, но нито един от тези детектори така и не успя да засече взаимодействие на ксенона с вимповете. Сблъсквайки се с този проблем, инсталацията XENONT1 беше реконструирана, увеличавайки обема на съда с ксенон, за търсенето на други форми на тъмната материя, например на свръхлеките частици, аксиони. Учените фиксираха възможни намеци за съществуването на аксиони, като фотодатчиците на XENONT1 регистрираха необикновено много светлинни частици, които са се появили в резултат на сблъсъците на електроните с някакви частици, притежаващи енергия между 3 и 7 килоелектрон волта. Оказа се, че тези частици са с 22% повече, отколкото предсказва Стандартния модел, но това може да се дължи и на други процеси като разпадането на атоми на тритий в съда или на това, че при неутриното, както това предсказва Стандартния модел, може да има магнитен момент, който е много малък, но не е нулев. За да потвърдят или отхвърлят тези предположения е разработена поредната версия на детектора XENONT1, като неговият обем ще е почти четири пъти по-голям , което рязко ще намали нивото на грешки и ще помогне на учените да разберат по особеностите в структурата на спектъра на проблясъците, коя от трите „заподозрени” частици, аксион, неутрино или тритий, пораждат тези аномалии.

Друг проект за откриване на тъмна материя се осъществява от учени от Националния институт по стандарти и технологии на САЩ (NIST). Те са разработили двуизмерен квантов кристал от 150 заплетени берилиеви йони с размери само 200 микрометра, който е десет пъти по-чувствителен от атомните сензори (става въпрос за сензорите за радиочестотно електромагнитно поле на базата на атомите на Ридберг). Той може да се настройва на честоти, които на теория би трябвало да излъчват едни от предполагaемите частици на тъмната материя – аксионите и „тъмните“ фотони и системата ще може да улавя сигнали, които досега са били недостъпни за други съществуващи сензори, като работата на кристала зависи от два много необичайни физични процеса: квантово заплитане и „обръщането на времето“. Първите експерименти са показали възможността за създаване на нов тип сензор, способен да търси тъмна материя по честотите на аксионите. Според изследователите от NIST ако се увеличи броя на заплетените йони до сто хиляди и се направи кристалът триизмерен, чувствителността на този детектор може да се увеличи хиляда пъти. Освен това учените предполагат, че този параметър може да се увеличи още няколко пъти, ако се подобри качеството на охлаждане на кристала и работата на други компоненти на инсталацията.

Радиовълни от тъмна материя

В ново изследване от 2024 г. международен екип от физици е изследвал модел на ултралека тъмна материя, която изключително рядко се сблъсква с обикновената барионна материя. В повечето случаи тези взаимодействия е почти невъзможно да се регистрират, но  понякога са се генерирали радиовълни. Изследователите предполагат, че това може да се случи при положение, че  тъмната материя се сблъсква с плазма и съвпада с нея по честота на вълните.

Всички звезди изхвърлят плазма в космоса под формата на звезден вятър и затова физиците вече са проучвали възможността за възникването на радиовълни, дължащи се на взаимодействие на тъмната материя с плазма. В новото изследване обаче учените са открили точка на взаимодействие много по-близо до нашето родно място: в йоносферата на Земята.

Взаимодействие на йоносферата и тъмната материя

Йоносферата на нашата планета е горната гореща област на атмосферата, състояща се от плазма, тоест свободно натрупване на йонизирани (заредени) частици. Изследователите са стигнали до заключението, че има голяма хипотетична вероятност йоносферата да взаимодейства с тъмната материя.

Радиовълните, генерирани от такова взаимодействие, биха били едва различими. Въпреки това е възможно да ги разпознаете: достатъчно е да използвате внимателно настроена радиоантена за търсене на определена честота.

Перспективи пред новия метод

Тази идея е особено обещаваща, тъй като йоносферата на Земята има редица предимства пред други източници на радиовълни, генерирани от тъмна материя. Първо, тя по естествен начин отразява множество радиовълни от дълбокия космос, което я прави относително свободна от външни сигнали. Второ, тя се намира доста близо до повърхността на земята и вече е обект на постоянен мониторинг и изучаване.

Но други учени смятат, че техните колеги имат малък шанс за успех, въпреки че се надяват те да имат късмет. Един от тях известният американски астрофизик Пол Сътър отбелязва:

„Формата на тъмната материя е много теоретична и ще отнеме години, ако не и десетилетия, за да се усъвършенстват техниките за наблюдение за търсене на радиовълни. Но ако това проработи, това ще бъде златна мина, която ще ни позволи да изучаваме един от най-загадъчните елементи във Вселената точно на нашия космически праг.“