Рентгеновский телескоп ищет доказательства Теории всего

Обсерватория НАСА провела одно из первых экспериментальных испытаний этих теорий, обыскивая небо в поисках гипотетической частицы, которая могла бы связать Вселенную.

Стандартная модель физики элементарных частиц довольно хорошо объясняет Вселенную в нано-масштабе, но доведенная до макро-масштаба, она как бы разваливается. Например, одна из самых больших дыр в том, что она не покрывает гравитацию.

С другой стороны Общая теория относительности Альберта Эйнштейна, которая оказалась устойчивой в описании физики массивных объектов, таких как планеты, звезды, галактики и скопления галактик. К сожалению, она также начинает разрушаться, сталкиваясь со странностями в квантовом масштабе.

Объединение этих двух разрозненных сфер под одним зонтом ускользало от науки на протяжении десятилетий. На самом деле, поиск Единой Теории Всего занимал большую часть трудовой жизни одних из лучших умов современности, таких как Эйнштейн и Стивен Хокинг.

Одним из ведущих претендентов является теория струн. В двух словах, идея состоит в том, что каждая частица, которую мы можем рассматривать как просто точку, на самом деле является вершиной одномерной струны. Свойства частицы, такие как ее масса и заряд, определяются тем, как вибрирует эта струна.

Существует много разных версий теории струн, причем некоторые из них более вероятны, чем другие. Проблема в том, что трудно найти какие-либо подтверждающие доказательства, которые заставляют многих ученых считать это преследование бессмысленным. В конце концов, научный метод не любит идеи, которые невозможно проверить.

Но там еще могут быть подсказки. Теория струн предсказывает существование гипотетических частиц аксионов, которые имели бы очень малые массы и могут превращаться в фотоны при прохождении через магнитные поля. Обратное также может быть правдой при других обстоятельствах.

Международная команда использовала рентгеновскую обсерваторию НАСА Чандра для поиска признаков этих аксионов в скоплении Персея, на расстоянии около 240 миллионов световых лет от Земли. Если там есть аксионы, они должны создавать искажения в энергии рентгеновского излучения, поскольку преобразуются в фотоны.

«Может показаться, что поиск мелких частиц, таких как аксионы, в гигантских структурах, таких как скопления галактик, слишком долог, но на самом деле это отличные места для поиска», - говорит Дэвид Марш, соавтор исследования. «Галактические кластеры содержат магнитные поля на гигантских расстояниях, а также часто содержат яркие источники рентгеновского излучения. Вместе эти свойства увеличивают вероятность того, что превращение аксионоподобных частиц будет обнаружено».

Команда изучила данные, собранные Чандрой на кластере Персей за более чем 5 дней. В частности, телескоп измерял силу рентгеновских лучей, создаваемых при разных энергиях, когда материал падает в сверхмассивную черную дыру в центре скопления. Если бы там были аксионы, искажающие этот свет при превращении их в фотоны, Чандра должен была бы их заметить.

К сожалению, этого не случилось. Это может свидетельствовать о том, что аксионов не существует, но команда также говорит, что частицы могут иметь более высокие массы, чем они искали, или они не превращаются в фотоны так легко, как ожидалось.

«Наше исследование не исключает существования этих частиц, но определенно не помогает в их поиске», - говорит Хелен Рассел, соавтор исследования. «Эти ограничения вписываются в диапазон свойств, предлагаемых теорией струн, и могут помочь теоретикам струн прополоть их теории».

Это не единственный эксперимент по охоте на аксионов, который получает нулевой результат. Другие пытались обнаружить электромагнитные колебания в плазменных камерах, их влияние на вращение нейтронов или их способность создавать магнитные поля в местах, где их не должно быть. Вместе эти результаты могут помочь сузить поиск.

Если они когда-либо будут обнаружены, аксионы могут решить много различных физических проблем. Они не только будут свидетельством теории струн, но и смогут объяснить темную материю и то, почему во Вселенной гораздо больше материи, чем антивещества.

Новое исследование было опубликовано в Astrophysical Journal.