Земля, возможно, плывет через океан темной материи — и волны в этом невидимом океане, омывающие верхние слои атмосферы нашей планеты, могут генерировать обнаруживаемые радиоволны, которые позволят нам наконец найти этот неуловимый компонент Вселенной, согласно новому теоретическому исследованию.
Богатство астрофизических и космологических данных указывает на существование темной материи: от необъяснимых кривых вращения некоторых галактик до роста крупнейших структур во Вселенной. Попытки объяснить это широкое разнообразие наблюдений с помощью альтернативных формулировок гравитации потерпели неудачу, поэтому подавляющее большинство астрономов считают, что темная материя — это некая неизвестная форма материи, которая лишь изредка взаимодействует со светом или с нормальной материей.
Но это очень широкая идея, которая включает в себя множество возможностей. Темная материя может состоять из массивных частиц, но поиски таких частиц в основном оказались тщетными. Таким образом, интригующая альтернатива заключается в том, что темная материя является исключительно легкой, либо в форме теоретических частиц, известных как «аксионы», либо в виде экзотической формы фотона, несущего некоторую массу.
Обладая такой невероятной легкостью — в миллионы раз легче самых легких известных частиц — темная материя могла действовать очень странным образом. В частности, вместо того, чтобы выглядеть как отдельные точечные пули, темная материя будет вести себя скорее как большие волны, плещущиеся по космосу.
В недавнем исследовании, опубликованном на сервере препринтов arXiv, физики изучили модели сверхлегкой темной материи, которая не была полностью темной, что позволяло ей крайне редко взаимодействовать с обычной материей. Большую часть времени эти взаимодействия почти не регистрировались, не создавая ничего заметного. Но в редких случаях темная материя и нормальная материя взаимодействовали достаточно, чтобы произвести значительное количество радиоволн.
Это произойдет, когда темная материя столкнется с плазмой и когда частота волн темной материи совпадет с частотой плазменных волн. Когда это произойдет, произойдет резонанс, усиливающий взаимодействие и производящий излучение в виде радиоволн, как предполагали модели команды.
Вселенная не новичка в плазме — все звезды извергают плазму в космос в виде звездного ветра — поэтому теоретики уже исследовали образование радиоволн из-за взаимодействия темной материи с такими средами, как солнечная корона или межзвездная среда. Но в этом новом исследовании ученые обнаружили точку взаимодействия, гораздо более близкую к дому: ионосферу нашей планеты.
Ионосфера Земли — это тонкий горячий слой верхних слоев атмосферы, состоящий из рыхлой совокупности ионизированных (заряженных) частиц — плазмы. Естественно, через него проходят волны, и исследователи обнаружили, что эти волны могут взаимодействовать с волнами гипотетической темной материи, которая может омывать Землю.
Радиоволны, возникающие в результате этого взаимодействия, будут едва заметны. Но исследователи обнаружили, что, используя тщательно настроенную радиоантенну для поиска определенной частоты радиоволн в течение года, они смогут обнаружить эти волны.
Эта идея особенно многообещающая, поскольку ионосфера Земли имеет ряд преимуществ перед другими источниками радиоволн, создаваемых темной материей. Во-первых, ионосфера естественным образом отражает множество радиоволн из более глубокого космоса, что делает ее относительно свободной от загрязняющих сигналов. Во-вторых, ионосфера находится прямо над нами, легкодоступна и уже является предметом постоянного мониторинга и изучения.
Это долгий путь. Эта форма темной материи является весьма теоретической, и потребуются годы, если не десятилетия, чтобы усовершенствовать технику наблюдения для поиска этих радиоволн. Но если это сработает, это станет золотой жилой, позволяющей нам изучать один из самых загадочных элементов во Вселенной прямо на пороге нашего космического пространства.
