Земля може виявитися одним з найбільших у світі детекторів надлегкої темної матерії. Команда фізиків показала, що магнітне поле планети, атмосфера та поверхня разом утворюють природну установку, здатну підсилювати надзвичайно слабкі електромагнітні сигнали від гіпотетичних частинок — аксіонів і темних фотонів. Про це йдеться в матеріалі SciTechDaily.
Астрономи судять про існування темної матерії за її гравітаційним впливом на галактики та інші космічні структури. Вона не випромінює, не відбиває і не поглинає світло у звичний спосіб, але, за оцінками, становить близько чверті всієї енергії Всесвіту. Її фізична природа досі залишається невідомою, а аксіони і темні фотони розглядаються як одні з можливих кандидатів.
Надлегкі частинки як коливальне поле
У масовому діапазоні, який розглядають дослідники, аксіони та темні фотони мають бути надзвичайно легкими — приблизно на 19–21 порядок меншими за масу електрона. Якщо такі частинки утворюють навколо Землі частину гало темної матерії Чумацького Шляху, то поводяться не як окремі «крупинки», а радше як слабке, безперервно коливальне поле.
Багато лабораторних експериментів шукають аксіони, намагаючись перетворити їх на фотони в потужних магнітних полях. Але навіть найсильніші магніти охоплюють обмежений об’єм. Натомість магнітне поле Землі простягається на всю планету, створюючи природне експериментальне середовище, недосяжне для будь-якої лабораторної установки.
Автори роботи поставили запитання: чи можна використати саму Землю як гігантський детектор темної матерії? За словами відповідального автора Ацуші Таруї (Atsushi Taruya), система «Земля — іоносфера» поводиться як природний резонатор, що підсилює електромагнітні хвилі саме в потрібному діапазоні мас аксіонів.
Резонатор між поверхнею Землі та іоносферою
Порожнина між поверхнею планети та електропровідною іоносферою здатна захоплювати й посилювати електромагнітні хвилі на певних частотах. Найвідоміший прояв цього ефекту — резонанси, які збуджуються ударами блискавок по всьому світу.
Дослідники дійшли висновку, що ці ж планетарні резонанси можуть підсилювати надзвичайно слабкі електромагнітні збурення, породжені темною матерією. Щоб це коректно описати, команда створила нову теоретичну модель, яка враховує змінну електропровідність атмосфери.
Попередні підходи добре працювали лише на частотах нижче 1 Гц, залишаючи значну частину цікавого діапазону поза увагою. Нова модель показала, що сигнали від темної матерії можуть істотно посилюватися поблизу 8 Гц і дозволила надійно робити прогнози до частот приблизно 30 Гц.
Важливо й те, що модель дає спосіб відрізнити можливі сигнали темної матерії від звичайних перешкод. Для аксіонів інтенсивність і напрям сигналу мають змінюватися залежно від місця спостереження, оскільки їм потрібне магнітне поле Землі, щоб породжувати електромагнітні хвилі. Розрахунки вказують, що найбільша чутливість очікується в регіоні Південно-Східної Азії. Для темних фотонів ситуація інша: їхній сигнал має бути набагато більш однорідним по всій планеті, оскільки їм не потрібне зовнішнє магнітне поле для утворення подібного ефекту.
Аналіз десятиріччя геомагнітних спостережень
Щоб перевірити свої ідеї, дослідники проаналізували геомагнітні дані, зібрані в 2012–2022 роках на обсерваторії Ескдалмюр Британської геологічної служби. Спочатку вони відфільтрували відомі джерела техногенних перешкод, а потім шукали стійкі сигнали, зосереджені в дуже вузькому частотному діапазоні.
Така вузькість є ключовою ознакою. Багато природних та штучних джерел створюють електромагнітну активність, але поле надлегкої темної матерії має коливатися з частотою, визначеною масою частинки. Це означає, що у спектрі може з’явитися стабільна лінія, помітна протягом років спостережень, а не короткий спалах або нерегулярне збурення.
Після обробки даних команда застосувала статистичні методи, щоб знайти характерний просторовий та частотний малюнок, очікуваний для аксіонів. Потім цю ж загальну схему пошуку адаптували для темних фотонів, які мали б формувати інший електромагнітний «відбиток».
Суворіші обмеження для аксіонів і загадкові кандидати для темних фотонів
Однозначного відкриття аксіонів зробити не вдалося. Натомість відсутність переконливого сигналу дала змогу суттєво посилити обмеження на те, наскільки сильно аксіони можуть взаємодіяти зі світлом. Для певного діапазону мас нові наземні оцінки виявилися приблизно в 100 разів жорсткішими, ніж попередні найкращі результати лабораторних експериментів.
Ці обмеження виявилися співставними з тими, що отримують за допомогою рентгенівських спостережень космосу, зокрема з обсерваторій на кшталт Chandra та NuSTAR. Астрофізичні оцінки надзвичайно цінні, але вони залежать від припущень про віддалені космічні середовища. Земний підхід забезпечує незалежну перевірку, засновану на багаторічних вимірюваннях поруч із нами.
Результати пошуку темних фотонів виявилися більш інтригуючими. Дослідники виділили кілька стійких кандидатів у сигнали, які потенційно можуть відповідати темній матерії. Втім, їх поки що не можна вважати відкриттям: невідомі впливи довкілля, особливості роботи обладнання або інші види перешкод теж можуть пояснити спостережувані аномалії.
Для перевірки необхідні додаткові спостереження з кількох точок планети. Якщо такі сигнали виникають по всьому світу в тій самій просторовій конфігурації, яку передбачає теорія темних фотонів, це стане серйозним аргументом на користь їхньої природи.
Поки що ці результати не розкривають загадку темної матерії. Їхня головна важливість у тому, що вони демонструють: сама Земля може працювати як надчутливий фізичний інструмент. У майбутньому мережі геомагнітних обсерваторій на різних континентах зможуть спільно шукати узгоджені сигнали, відокремлюючи справжній глобальний слід темної матерії від локального шуму.