Данные орбитального телескопа Chandra проверяют "теорию всего"

Credit: NASA/CXC/Univ. of Cambridge/C. Reynolds et al.

Одной из самых сильных идей в физике является возможность того, что все известные силы, частицы и взаимодействия могут быть связаны в одной структуре. Теория струн, пожалуй, является самым самым известным кандидатом для «теории всего», которая объединит наше понимание физики вселенной.

Несмотря на то, что в течение десятилетий в физическом сообществе циркулировало много разных версий теории струн, экспериментальных испытаний было очень мало. Астрономы, использующие рентгеновскую обсерваторию Chandra, в настоящее время сделали значительный шаг вперед в этой области.

Исследуя скопления галактик, самые большие структуры во вселенной, удерживаемые вместе гравитацией, исследователи смогли найти конкретную частицу, которая, как предсказывают многие модели теории струн, должна существовать. В то время как ее необнаружение не исключает теории струн в целом, оно наносит удар по определенным моделям в этом семействе.

«До недавнего времени я понятия не имел, что может дать рентгеновская астрономия, когда речь идет о теории струн, но мы могли бы сыграть в ней важную роль», - сказал Кристофер Рейнольдс из Кембриджского университета в Великобритании, который возглавлял исследование. «Если эти частицы будут обнаружены, это навсегда изменит физику».

Частица, которую искали Рейнольдс и его коллеги, называется «аксион». Эти еще не обнаруженные частицы должны иметь чрезвычайно низкие массы. Ученые не знают точного диапазона масс, но многие теории показывают массы аксионов, варьирующиеся от примерно одной миллионной массы электрона до нулевой массы. Некоторые ученые считают, что аксионы могут объяснить тайну темной материи, которая составляет подавляющее большинство материи во вселенной.

Одним из необычных свойств этих частиц сверхнизкой массы является то, что они могут иногда превращаться в фотоны (то есть пакеты света), когда они проходят через магнитные поля. Противоположность может также иметь место: фотоны могут также быть превращены в аксионы при определенных условиях. Частота такого перехода зависит от того, насколько легко они делают это превращение, другими словами, от их «конвертируемости».

Некоторые ученые предложили существование более широкого класса частиц сверхнизкой массы с подобными аксионам свойствами. Аксионы будут иметь одно значение конвертируемости на каждую массу, но «аксионоподобные частицы» будут иметь диапазон конвертируемости при той же массе.

«Несмотря на то, что поиск мельчайших частиц, таких как аксионы, в гигантских структурах, таких как скопления галактик, может показаться плохой затеей, на самом деле это замечательные места», - сказал соавтор Дэвид Марш из Стокгольмского университета в Швеции. «Галактические кластеры содержат магнитные поля на гигантских расстояниях, а также они часто содержат яркие источники рентгеновского излучения. Вместе эти характеристики увеличивают вероятность того, что будет обнаружено преобразование аксионоподобных частиц».

Чтобы найти признаки превращений аксионоподобных частиц, команда астрономов изучала в течение пяти дней наблюдения Chandra рентгеновских лучей от материи, падающей на сверхмассивную черную дыру в центре скопления галактик Персей. Они изучали спектр Chandra, или количество рентгеновского излучения, наблюдаемого при разных энергиях этого источника. Длительное наблюдение и большая яркость источника рентгеновского излучения дали спектр с достаточной чувствительностью, чтобы показать искажения, которые ученые ожидали, если присутствуют аксионоподобные частицы.

Отсутствие таких искажений позволило исследователям исключить присутствие большинства типов аксионоподобных частиц в диапазоне масс, к которому их наблюдения были чувствительны, ниже примерно одной миллионной миллиардной доли электрона.

«Наше исследование не исключает существования этих частиц, но определенно не помогает их делу», - сказала соавтор Хелен Рассел из Ноттингемского университета в Великобритании. «Эти ограничения вписываются в диапазон свойств, предлагаемых теорией струн, и могут помочь теоретикам струн отсеять их теории».

Последний результат был примерно в три-четыре раза более чувствительным, чем предыдущий лучший поиск аксионоподобных частиц, который был получен из наблюдений Chandra за сверхмассивной черной дырой в галактике М87. Это исследование также примерно в сто раз более мощное, чем текущие измерения, которые могут быть выполнены в лабораториях здесь на Земле для диапазона масс, который они рассмотрели.

Ясно, что одной из возможных интерпретаций этой работы является то, что аксионоподобных частиц не существует. Другое объяснение состоит в том, что частицы имеют даже более низкие значения конвертируемости, чем предел обнаружения этого наблюдения, и ниже, чем ожидали некоторые физики-теоретики. У них также могут быть более высокие массы, чем у данных Chandra.

Статья с описанием этих результатов появилась в выпуске Astrophysical Journal от 10 февраля 2020 года.

Больше информации: Christopher S. Reynolds et al. Astrophysical Limits on Very Light Axion-like Particles from Chandra Grating Spectroscopy of NGC 1275, The Astrophysical Journal (2020). DOI: 10.3847/1538-4357/ab6a0c.

В Arxiv: https://arxiv.org/abs/1907.05475]

Оригинал статьи: Chandra data tests 'theory of everything'