Більшість експертів упевнені, що темна матерія існує і складається з невідомих науці частинок. Але яких саме?
Одним з можливих кандидатів є гіпотетичні аксіони, споконвічно придумані, щоб пояснити деякі особливості взаємодії різних частинок. Виявилося, що вони добре підходять на роль темної матерії, якщо, звичайно, дійсно існують.
Проблема в тому, що маса аксиона невідома. Є дуже широкий діапазон, в який вона може потрапляти. Тому фізики змушені методично прочісувати це «простір можливостей», використовуючи великі і більш скромні детектори аксионов.
Поки результати роботи цих пристроїв можна описати так. Фізики переконалися, що аксионов з такий, сякий і ось такою масою точно немає, тому що вони напевно були б виявлені. Але неперевірених варіантів все ще предостатньо.
Є й альтернативний шлях: знайти астрофізичні явища, що вказують на існування аксионов (або, принаймні, на те, що їх маса не більше/менше певного значення). У цьому напрямку робота ведеться.
Так, за даними деяких розрахунків, аксіони повинні накопичуватися в центрах галактик і утворювати щільні ядра. Іноді настільки щільні, що астроном-спостерігач буде приймати їх за надмасивні чорні діри.
Нагадаємо, що в центрах багатьох галактик дійсно знаходяться компактні важкі об’єкти, і загальноприйнята точка зору полягає в тому, що це саме чорні діри. Цю гіпотезу підтверджують, наприклад, ретельні спостереження за рухом звертається навколо них речовини, а з недавніх пір ще і перше пряме зображення чорної діри.
Але що, якщо принаймні у частини галактик «серце» являє собою не чорну діру, а скупчення аксионов? Що в цьому випадку астрономічні спостереження говорять нам про властивостях цих частинок?
Галактика М33 була серед шести зоряних систем, розглянутих авторами роботи. Фото NASA, ESA, M. Durbin, J. Dalcanton, B. F. Williams (University of Washington). Цим питанням задалися Вінсент Дежак (Vincent Desjacques) і Аді Нассер (Adi Nusser) з Ізраїльського технологічного інституту.Вони взяли з праць попередників дані про шість галактиках: M33, NGC 300, NGC 3423, NGC 4395, NGC 7424 і NGC 7793. Зокрема, астрономів цікавила маса центрального об’єкта (який зазвичай вважають чорною дірою). У цих зоряних систем вона коливається від півтора тисяч до 80 тисяч сонць. Також дослідники розглянули швидкість обертання кожної галактики і радіус центрального зоряного скупчення (nuclear star cluster).
Астрофізиків цікавило, чи можна ці дані поєднати з гіпотезою про те, що центральний об’єкт кожної з цих галактик – аксионное ядро, і якщо так, то яку масу може при цьому мати аксіон. Для цього автори використовували співвідношення між масою такого ядра і решті всієї темної матерії в галактиці, яке можна отримати за допомогою комп’ютерного моделювання.
У науковій статті, препринт якої опубліковано на сайті arXiv.org дослідники повідомляють результати. За їх розрахунками, всі шість галактик можуть мати аксионные ядра, але лише в тому випадку, якщо маса аксиона становить не менше 10-18 електрон-вольт (нагадаємо, що фізики люблять вимірювати масу частинок в одиницях енергії, користуючись знаменитою формулою E = mc2).
Не те щоб ця величина була так вже велика. Наприклад, маса електрона – майже мільярд електрон-вольт. Аксіони, як бачимо, залишаються в статусі надлегких частинок.
Звичайно, поки немає ніяких доказів того, що саме розглянуті галактики приховують у своїх ядрах скупчення аксионов, а не чорні діри. Проте подібні обмеження на масу можуть послужити, принаймні, додатковим орієнтиром для фізиків, які шукають ці таємничі частинки за допомогою детекторів.
