Радиоэхо темной материи: Может ли ионосфера Земли помочь нам найти темную материю?

11 янв 2025, 21:20

Представьте себе: вокруг нас простирается невидимый мир, пронизанный неуловимой субстанцией, которую мы называем тёмной материей. Она составляет большую часть массы Вселенной, но мы до сих пор не знаем, из чего она состоит. А что, если разгадку этой тайны можно найти прямо у нас под ногами, в земной ионосфере? Невероятно, но, похоже, это может стать реальностью.

Невидимый мир, проявляющийся в радиоволнах

Ученые считают, что тёмная материя может состоять из так называемых волноподобных частиц, например, аксионоподобных частиц (АЛЧ) или массивных тёмных фотонов (МТФ). Эти частицы могут взаимодействовать с обычными фотонами (частицами света), но очень слабо. А знаете, что интересно? Оказывается, взаимодействие может усиливаться в определенных условиях, например, когда масса частицы тёмной материи совпадает с частотой плазмы (свободных электронов) в среде. Этот эффект называют резонансом.

Иллюстрация
Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3 Источник: www.bing.com

А теперь давайте посмотрим на Землю. На высоте 60-1000 км над поверхностью расположена ионосфера, слой ионизированного газа с переменной плотностью электронов. В этом слое есть участки, где частота плазмы может соответствовать массам гипотетических частиц темной материи. Если это так, то частицы тёмной материи могут превращаться в радиоволны, которые, к счастью, мы можем уловить.

Земля как огромный резонатор

В обычном состоянии, без плазмы, темная материя не взаимодействует со светом. Но в ионосфере, где есть плазма, ситуация меняется. А точнее — частицы темной материи становятся «возбужденными», происходит резонанс. Представьте ионосферу как гигантскую полость с зеркальными стенками, заполненную плазмой, где темная материя как бы «ударяет» по этим стенкам. В результате этих «ударов» рождаются радиоволны, и мы можем их зафиксировать.

Слева: перспективный охват кинетического смешивания ДПε при рассмотрении широкополосного поиска с временем интеграции 10 ч и 1 год (сплошные кривые), для потенциала обнаружения 95% (фиолетовый) и 5σ (зеленый). Пунктирные кривые указывают на область, достигаемую за 1 ч наблюдений, когда измерения ограничены атмосферным, а не антропогенным шумом. Светло-серая область исключается космологическими зондами [2, 49, 50 здесь и далее см. ориг. исследование], темно-серая область — галоскопами, а светло-золотистая область — наблюдениями солнечной короны с помощью LOFAR [45]. Пунктирные черные линии указывают на возможную будущую досягаемость ДМ-радиоизлучения с LC-резонатором [93], а также на досягаемость LOFAR для прямого обнаружения ДП в антенне [97]. Справа: проекции для связи аксиона с фотономgaγγ, с той же экспериментальной установкой, что и для ДП. Светло-серая область исключена астрофизическими зондами [88, 89, 90, 91, 92], темно-серая — наземными экспериментами по ДМ ABRA [94] и SHAFT [95], а светло-желтая — CAST [96]. Ограничения по наблюдениям солнечной короны с помощью LOFAR [45] показаны светло-оранжевым цветом. Цитирование: Carl Beadle, Andrea Caputo, and Sebastian A. R. Ellis; Phys. Rev. Lett. 133, 251001; DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.251001
Автор: Carl Beadle et al.

Что мешает нам услышать эхо темной материи?

Честно говоря, не так-то просто уловить эти сигналы. Во-первых, тёмная материя — это невидимая субстанция. Её взаимодействие с обычным веществом — крайне слабое. Во-вторых, наша планета — источник огромного количества разнообразных радиоволн: от работы электроприборов и радиостанций до естественного атмосферного шума. Этот шум накладывается на слабый сигнал от темной материи и затрудняет его обнаружение.

Но как же тогда отделить сигнал от шума? Ученые ищут уникальные характеристики, которые отличают сигнал от темной материи. Например, сигнал должен изменяться в зависимости от времени суток (ведь ионосфера меняется под воздействием солнечного излучения). Кроме того, сигнал АЛЧ будет зависеть от напряженности магнитного поля Земли, а она меняется от места наблюдения.

Плотность ЭМ-энергии в натуральных единицах как функция расстояния z от поверхности Земли. Разные цвета соответствуют разным массам ДМ, а эффективная связь всегда фиксирована на g eff = 10 — 10. Сплошные кривые представляют собой наши полные численные решения, а горизонтальные пунктирные линии соответствуют вероятности преобразования Ландау-Зенера Цитирование: Carl Beadle, Andrea Caputo, and Sebastian A. R. Ellis; Phys. Rev. Lett. 133, 251001; DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.251001
Автор: Carl Beadle et al.

Открытие нового окна во Вселенную

По правде говоря, это весьма дерзкая идея — использовать ионосферу Земли как детектор темной материи. Но она основана на надежных физических законах. И что самое важное, она позволяет заглянуть в ранее неизученные области параметров темной материи. Ученые считают, что этот подход может обнаружить темную материю с массами в диапазоне от 10^-9 до 10^-8 эВ. Да, это очень маленькие значения, но именно они важны для проверки разных моделей.

В целом, этот метод дополняет существующие способы изучения темной материи. Ведь в отличие от традиционных детекторов, которые ищут отдельные столкновения частиц темной материи, этот метод «слушает» радиоволны, рождённые во взаимодействии этой самой загадочной субстанции с ионосферой нашей планеты.

Подобный подход — лишь один из примеров того, как ученые используют все доступные средства, чтобы разгадать тайну темной материи. И может быть, именно ионосфера Земли поможет нам сделать очередной шаг в этом захватывающем путешествии.

Опубликовано: Мировое обозрение Источник