Тёмная материя под прицетом гравитационных линз

Автор: Денис Аветисян

Новые наблюдения за квазарами, усиленными гравитационными линзами, позволяют уточнить параметры гипотетических частиц, претендующих на роль тёмной материи.

Наблюдения за квазаром B1152+199, проведенные за пять эпох, демонстрируют, что распределения отклонений <span class="katex-eq" data-katex-display="false">\Delta\theta_{a,lens}</span> хорошо аппроксимируются гауссовым распределением, при этом комбинирование данных за пять и шесть эпох посредством взвешенного усреднения позволяет получить более точные оценки, подтверждая результаты, полученные Basu et al. для одноэпоховых наблюдений. — Наблюдения за квазаром B1152+199, проведенные за пять эпох, демонстрируют, что распределения отклонений $\Delta\theta_{a,lens}$ хорошо аппроксимируются гауссовым распределением, при этом комбинирование данных за пять и шесть эпох посредством взвешенного усреднения позволяет получить более точные оценки, подтверждая результаты, полученные Basu et al. для одноэпоховых наблюдений.

Многоэпохочные радиополяриметрические измерения позволяют ограничить параметры ультралёгких аксион-подобных частиц (ALP) через измерения бирефракции.

Поиск темной материи остается одной из ключевых задач современной астрофизики, требующей новых подходов к изучению гипотетических частиц. В работе ‘Constraining Axion-like Particles through Multi-epoch Monitoring of Strong Gravitational Lenses’ представлены новые ограничения на ультралегкие аксион-подобные частицы (АЛЧ) посредством многоэпохных наблюдений дифференциального бирефракции, индуцированной связью между АЛЧ и электромагнитными полями. Использование гравитационно линзированной системы CLASS B1152+199 позволило получить ограничения на константу связи $g_{aγ}$ в диапазоне масс АЛЧ от $1.6\times 10^{-{22}}$ эВ до $3.8\times 10^{-{18}}$ эВ, улучшив существующие ограничения на порядок величины. Каковы перспективы дальнейшего повышения точности измерений и расширения диапазона масс, доступных для исследования с помощью этого метода?

Тёмная материя: Зазеркалье Вселенной

Наблюдения за вращением галактик и движением скоплений галактик указывают на то, что видимой материи во Вселенной недостаточно для объяснения наблюдаемой гравитации. Более 85% всей массы Вселенной остается невидимой, не взаимодействующей с электромагнитным излучением, что и привело к гипотезе о существовании «темной материи». Эта невидимая масса проявляет себя исключительно через гравитационное воздействие на видимые объекты, искривляя свет и влияя на траектории движения звезд и галактик. Несмотря на отсутствие прямого наблюдения, косвенные доказательства ее существования становятся все более убедительными, и поиск ее природы является одной из ключевых задач современной астрофизики и физики элементарных частиц. Понимание темной материи может кардинально изменить представления о структуре и эволюции Вселенной.

Аксионы и аксион-подобные частицы (ALP) представляют собой привлекательные кандидаты на роль тёмной материи, возникающие в рамках расширений Стандартной модели физики элементарных частиц. Эти гипотетические частицы были предложены как решение так называемой «сильной CP-проблемы», которая связана с отсутствием наблюдаемых нарушений CP-инвариантности в сильных взаимодействиях. Теоретически, аксионы обладают чрезвычайно малой массой и слабым взаимодействием с обычной материей, что делает их обнаружение крайне сложной задачей. Их возникновение связано с введением нового поля, которое спонтанно нарушает симметрию CP, и в результате появляется псевдоскалярная частица — аксион. Различные модели предсказывают широкий диапазон масс и констант связи для аксионов и ALP, что обуславливает необходимость проведения разнообразных экспериментов для поиска этих неуловимых частиц.

Поиск этих неуловимых частиц требует разработки новаторских методик, поскольку их прямое обнаружение представляется чрезвычайно сложной задачей. Дело в том, что взаимодействие аксионов с обычной материей предсказывается крайне слабым, что делает традиционные детекторы неэффективными. В связи с этим, ученые обращаются к косвенным методам, основанным на поиске следов, которые аксионы могли бы оставить в астрофизических процессах или в специфических экспериментальных установках, использующих сильные магнитные поля и сверхчувствительные резонаторы. Некоторые стратегии направлены на обнаружение аксионов через их возможное превращение в фотоны, в то время как другие исследуют потенциальные изменения в поляризации света, проходящего через магнитные поля. Разработка и совершенствование этих передовых технологий представляет собой одну из самых захватывающих задач современной физики элементарных частиц.

Анализ данных о пульсаре B1152+199 за 5 и 6 эпох позволил получить ограничения на связь аксионаподобных частиц (ALP) с фотонами (<span class="katex-eq" data-katex-display="false">g_{a\gamma}</span>) в зависимости от массы ALP (<span class="katex-eq" data-katex-display="false">m_a</span>), которые согласуются с ограничениями, полученными коллаборацией CAST и в работе [7]. — Анализ данных о пульсаре B1152+199 за 5 и 6 эпох позволил получить ограничения на связь аксионаподобных частиц (ALP) с фотонами ( $g_{a\gamma}$ ) в зависимости от массы ALP ( $m_a$ ), которые согласуются с ограничениями, полученными коллаборацией CAST и в работе [7].

Гравитационное линзирование: Зеркало поляризации

Гравитационное линзирование возникает, когда свет от далекого источника искривляется под воздействием гравитационного поля массивного объекта, расположенного между источником и наблюдателем. Это искривление происходит в соответствии с общей теорией относительности Эйнштейна, где гравитация рассматривается как искривление пространства-времени. В результате этого искривления свет может огибать массивный объект, создавая множественные изображения исходного источника. Число и форма этих изображений зависят от массы линзирующего объекта, его расстояния до источника и наблюдателя, а также от взаимного расположения источника, линзы и наблюдателя. Этот эффект позволяет изучать объекты, которые были бы слишком слабыми или слишком далекими для прямого наблюдения.

Искривление света массивными объектами, известное как гравитационное линзирование, не только увеличивает яркость удаленных источников, но и значительно повышает чувствительность к поляризации света, исходящего от них. Это усиление чувствительности происходит из-за того, что сигнал, который в противном случае был бы слишком слабым для надежного измерения, концентрируется и усиливается эффектом линзирования. Поляризационные сигналы, которые ранее находились на пределе обнаружения, становятся доступными для точного анализа, что позволяет проводить более детальное исследование свойств источников и среды, через которую свет проходит. Этот эффект особенно важен при изучении слабо поляризованных источников или при поиске очень слабых сигналов поляризации.

Различия в угле поляризации множественных изображений, возникающих при гравитационном линзировании, могут служить индикатором существования аксионоподобных частиц (ALPs). ALPs, взаимодействуя с фотонами в сильных гравитационных полях, способны изменять поляризацию света. Анализ разницы в углах поляризации между изображениями, образованными линзированием, позволяет ограничить параметры ALP, такие как их масса и сила взаимодействия с фотонами. Наблюдаемые различия в поляризации, превышающие предсказанные значения, могут указывать на наличие ALP, в то время как отсутствие таких различий позволяет установить верхние границы на их свойства. Этот метод позволяет исследовать ALP в диапазоне масс и взаимодействий, недоступных для других экспериментальных подходов.

Анализ дифференциального бирефракционного угла <span class="katex-eq" data-katex-display="false">\Delta\theta_{a,lens}^{(n)}</span> для B1152+199 показал, что наилучшее соответствие данным достигается при моделировании осцилляций поля аксионаподобных частиц (АЛЧ) с использованием уравнения (2.6) и методов максимального правдоподобия (МП), подтверждая наличие осцилляций поля в момент излучения. — Анализ дифференциального бирефракционного угла $\Delta\theta_{a,lens}^{(n)}$ для B1152+199 показал, что наилучшее соответствие данным достигается при моделировании осцилляций поля аксионаподобных частиц (АЛЧ) с использованием уравнения (2.6) и методов максимального правдоподобия (МП), подтверждая наличие осцилляций поля в момент излучения.

Радиоинтерферометрия VLA: Поиск следов в поляризации

Радиоинтерферометр Карла Г. Янского (VLA) обеспечил высокоразрешающие наблюдения радиоисточника CLASS B1152+199. Наблюдения проводились в различных диапазонах частот, позволяя получить данные с угловым разрешением до нескольких угловых секунд. VLA обладает высокой чувствительностью и динамическим диапазоном, что критически важно для изучения слабых и сложных структур, таких как гравитационно линзированные объекты. Использование VLA позволило получить детальные карты распределения радиоизлучения CLASS B1152+199 и измерить его поляризационные свойства с высокой точностью, что стало основой для дальнейшего анализа и поиска отклонений от стандартной модели.

Многоэпохные наблюдения позволили отслеживать изменения в поляризации гравитационно линзированного квазара CLASS B1152+199 во времени. Это стало возможным благодаря серии измерений поляризации, выполненных на различных временных точках. Анализ этих данных выявил временные вариации в степени и угле поляризации, что позволило исследовать динамические процессы, происходящие вблизи квазара и в среде, через которую проходит излучение. Полученные временные ряды поляризационных параметров необходимы для корректной интерпретации данных и отделения вклада реальных изменений в поляризации квазара от влияния других факторов, таких как изменения в межзвездной среде или инструментальные эффекты.

Для коррекции эффектов фарадеевского вращения и повышения чувствительности к бирефракции, вызванной аксионоподобными частицами (ALP), применялся метод RM-синтеза и тщательный анализ стоксовых параметров. RM-синтез позволяет реконструировать спектр вращения поляризации $\chi(\lambda)$ в зависимости от длины волны λ, что необходимо для удаления вклада среды вдоль луча зрения. Анализ стоксовых параметров (Q, U, V) обеспечил точное определение степени и угла поляризации, позволяя отделить вклад ALP-индуцированной бирефракции от астрофизических эффектов и инструментальных погрешностей. Использование нескольких частот наблюдений в сочетании с RM-синтезом позволило получить карту вращения поляризации и эффективно устранить неоднородности в межзвездной среде, тем самым повысив точность измерений.

Измерение дифференциальной бирефракции позволило провести поиск незначительных различий в углах поляризации между изображениями гравитационно линзированного квазара. Этот метод основан на анализе поляризационных свойств линзированных изображений и позволяет выявить малые изменения, вызванные, например, наличием аксионоподобных частиц (АЧП) в межгалактическом пространстве. Точность измерения дифференциальной бирефракции напрямую зависит от разрешения и чувствительности используемого радиотелескопа, в данном случае, массива VLA, и требует тщательной коррекции эффектов Фарадейского вращения для минимизации систематических ошибок. Различия в углах поляризации, даже на уровне долей градуса, могут служить индикатором наличия АЧП и предоставляют возможность оценить их свойства.

На изображении, полученном космическим телескопом Хаббла в фильтре F814W и наложенном на радиоконтуры VLA на частоте 4.5 ГГц с разрешением 0.5 угловых секунд, наблюдаются два гравитационно линзированных изображения (A и B), а также линзирующая галактика, видимая только в оптическом диапазоне.

Ограничения на параметры ALP и перспективы будущего

Статистический анализ полученных данных позволил установить существенное ограничение на силу взаимодействия аксионоподобных частиц (ALP) — верхняя граница составила 9.0 x 10^-13 ГэВ^-1. Данное ограничение значительно сужает область возможных параметров в моделях ALP, что имеет решающее значение для направления будущих поисков и разработки более эффективных стратегий обнаружения. Полученная величина представляет собой значительное улучшение по сравнению с существующими ограничениями и открывает новые возможности для исследования природы темной материи, поскольку ALP являются одним из перспективных кандидатов на ее роль. Установление столь низкой верхней границы на силу взаимодействия способствует более точному моделированию и тестированию различных теорий, выходящих за рамки Стандартной модели физики элементарных частиц.

Полученные ограничения существенно сужают область допустимых параметров для моделей аксионоподобных частиц (ALP), что оказывает непосредственное влияние на планирование будущих поисков. Уточнение этого параметра пространства позволяет исследователям более эффективно направлять свои усилия и ресурсы, сосредотачиваясь на наиболее вероятных диапазонах масс и сил взаимодействия ALP. Более того, представленные результаты улучшают существующие ограничения, достигая прироста вплоть до одного порядка величины, что открывает новые возможности для проверки теоретических моделей и поиска следов тёмной материи, состоящей из этих гипотетических частиц. $g_{a\gamma}$ — константа, определяющая силу взаимодействия ALP с фотонами, а уточнение её ограничений критически важно для дальнейших исследований.

Проведенные исследования позволили значительно расширить диапазон масс аксионоподобных частиц (АЧЧ), исключенных из рассмотрения в качестве кандидатов на роль темной материи. Установленный предел простирается от $1.6 \times 10^{-{22}}$ эВ до $3.8 \times 10^{-{18}}$ эВ, что представляет собой увеличение почти на два порядка по сравнению с результатами, полученными при однократном измерении. Это расширение области исключенных масс существенно сужает пространство параметров для теоретических моделей АЧЧ и открывает новые возможности для будущих поисков, направленных на обнаружение этих гипотетических частиц, которые могут объяснить природу темной материи во Вселенной.

Грядущие телескопы нового поколения, такие как LOFAR2.0 и SKA-Mid, обладают значительно повышенной чувствительностью к измерениям поляризации, что открывает принципиально новые возможности для поиска слабо взаимодействующих частиц. Увеличение чувствительности достигается за счет передовых технологий и увеличенной площади собирающей поверхности, позволяющих регистрировать даже самые слабые сигналы, несущие информацию о поляризации электромагнитного излучения. Это особенно важно при поиске аксионоподобных частиц (ALP), поскольку взаимодействие этих частиц с фотонами может приводить к вращению плоскости поляризации света. Благодаря повышенной чувствительности, эти телескопы способны исследовать гораздо более широкий диапазон параметров ALP, существенно уточняя существующие ограничения и потенциально приводя к прямому обнаружению этих гипотетических частиц, которые могут составлять значительную часть темной материи во Вселенной.

Грядущие поколения телескопов, такие как LOFAR2.0 и SKA-Mid, обладают значительно повышенной чувствительностью к измерениям поляризации, что открывает возможности для регистрации чрезвычайно слабых сигналов. Это позволяет надеяться на обнаружение неуловимых следов аксионоподобных частиц (ALP) и, возможно, разрешение одной из ключевых загадок современной физики — природы тёмной материи. Полученные ограничения на параметры ALP, в частности, превосходят существующие ограничения, установленные экспериментом CAST на величину $g_{aγ}$ , почти в десять раз, что значительно сужает область поиска и повышает шансы на успешное обнаружение этих гипотетических частиц.

Анализ спектров Стокса II для изображений A и B в объекте B1152+199 показал согласованные значения в пределах 5% погрешности VLA, а также зависимость коэффициента увеличения <span class="katex-eq" data-katex-display="false">\mu = S_{\rm A}(\nu)/S_{\rm B}(\nu)</span> от частоты, демонстрирующую значительные колебания в диапазоне 1-2 ГГц из-за смешения сигналов от изображений A и B. — Анализ спектров Стокса II для изображений A и B в объекте B1152+199 показал согласованные значения в пределах 5% погрешности VLA, а также зависимость коэффициента увеличения $\mu = S_{\rm A}(\nu)/S_{\rm B}(\nu)$ от частоты, демонстрирующую значительные колебания в диапазоне 1-2 ГГц из-за смешения сигналов от изображений A и B.

Исследование гравитационного линзирования квазаров, представленное в данной работе, демонстрирует, как даже малейшие отклонения в поляризации могут служить ключом к пониманию фундаментальных свойств Вселенной. Подобно тому, как чёрная дыра искажает пространство-время, так и ультралёгкие аксион-подобные частицы могут искажать поляризацию света, проходящего сквозь гравитационные линзы. Нильс Бор однажды сказал: «Противоположности не противоречат друг другу, но дополняют». В контексте данной работы, это означает, что видимые проявления гравитационного линзирования и потенциальное влияние аксион-подобных частиц не исключают друг друга, а скорее представляют собой различные грани единой физической реальности, требующие пристального изучения и сопоставления. Полученные ограничения на взаимодействие аксион-подобных частиц с фотонами лишь подтверждают, что любое предсказание — это лишь вероятность, подверженная влиянию гравитационных сил.

Что дальше?

Настоящая работа, как и многие другие в поисках аксионоподобных частиц, демонстрирует элегантность косвенных методов. Измерение двойного лучепреломления, вызванного гипотетическими частицами, — это, безусловно, изящнее, чем попытки их непосредственного обнаружения. Но и эта изящность таит в себе ловушку: чем сложнее инструмент, тем больше возможностей для самообмана. Улучшение границ на связь между аксионом и фотоном — это, конечно, прогресс, но не стоит забывать, что это лишь еще один шаг в бесконечном коридоре предположений.

Следующим этапом, вероятно, станет расширение выборки гравитационно линзированных квазаров, а также увеличение точности радиополяриметрических измерений. Однако истинный прорыв может потребовать не просто более точных данных, а принципиально нового подхода. Ведь теория — это всего лишь удобный инструмент для того, чтобы красиво запутаться, а чёрные дыры — лучшие учителя смирения, они показывают, что не всё поддаётся контролю.

Не стоит также забывать о других кандидатах на роль тёмной материи. Возможно, аксионы — это лишь одна из многих иллюзий, созданных нашими умами. Поиск истины в космосе — это бесконечный процесс, и каждый ответ порождает лишь новые вопросы. И это, пожалуй, самое прекрасное.

Оригинал статьи: https://arxiv.org/pdf/2602.12863.pdf

Связаться с автором: https://www.linkedin.com/in/avetisyan/

Смотрите также:

2026-02-16 22:13