Sondy kosmiczne, które przelatują blisko Słońca, mogą pewnego dnia pomóc w ujawnieniu tajemnicy ciemnej materii - wynika z badania opublikowanego w czasopiśmie Nature Astronomy.
Ciemna materia to niewidzialna i w dużej mierze nieuchwytna substancja, która według naukowców stanowi około pięć szóstych całej materii we wszechświecie. Chociaż nie została zaobserwowana bezpośrednio, jej istnienie jest sugerowane poprzez jej grawitacyjny wpływ na ruchy gwiazd i galaktyk. Jednak to, z czego ona może się składać, pozostaje tajemnicą.
"Odkrycie ciemnej materii byłoby jednym z największych osiągnięć w historii ludzkości"
- powiedział główny autor badania Yu-Dai Tsai, fizyk z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Irvine.
W nowym badaniu zespół badawczy zaproponował nowy sposób na odkrycie natury ciemnej materii, wykorzystując najbardziej precyzyjne zegary, jakie kiedykolwiek powstały: zegary atomowe. Podczas gdy klasyczne zegary odmierzają czas poprzez śledzenie wahań wahadeł, zegary atomowe monitorują kwantowe wibracje atomów. Obecnie najlepszy zegar atomowy jest tak precyzyjny, że zasadniczo będzie tracił tylko jedną sekundę co 300 miliardów lat.
Zegary atomowe są regularnie wysyłane w przestrzeń kosmiczną. Na przykład, satelity GPS polegają na zegarach atomowych, aby nadawać precyzyjne wiadomości, które każdy odbiornik GPS wykorzystuje do określenia swojej lokalizacji.
W nowym badaniu fizycy sugerują wysłanie misji, wstępnie nazwanej SpaceQ, na orbitę w pobliżu Słońca. Ostatnio NASA wysłała sondę Parker Solar Probe bliżej Słońca niż ktokolwiek inny wcześniej. W 2021 roku sonda po raz pierwszy przeleciała przez koronę słoneczną - jej ultra gorącą górną atmosferę - i nadal krąży coraz bliżej naszej gwiazdy.
"Z pewnością istnieją techniczne wyzwania w kierunku realizacji misji takiej jak ta, którą proponujemy, z których nie najmniejszym jest to, jak najskuteczniej osłonić wrażliwe czujniki kwantowe przed ekstremalnym środowiskiem, które można znaleźć w pobliżu Słońca"
- powiedział współautor badania Joshua Eby, fizyk z Uniwersytetu Tokijskiego.
"Misje takie jak Parker Space Probe pokazują, że niesamowite rzeczy są możliwe i nie ma absolutnie żadnych barier. Zajmie to trochę R&D [badań i rozwoju], ale ta praca jest, miejmy nadzieję, tylko początkiem procesu."
Wiodący kandydaci na ciemną materię obejmują upiorne ultralekkie cząstki. Na przykład, hipotetyczna cząstka znana jako aksjon może mieć masę mniejszą niż miliardowa część masy elektronu. Fizycy teoretyczni pierwotnie zaproponowali istnienie aksjonów, aby pomóc wyjaśnić, dlaczego oddziaływania są widoczne między niektórymi cząstkami, ale nie innymi.
"Jeśli ten rodzaj ciemnej materii istnieje, można sobie wyobrazić, że kąpiemy się w falach ciemnej materii"
- powiedział Tsai.
Jeśli ciemna materia składa się z ultralekkich cząstek, ich nietrwała natura czyniłaby je niezwykle trudnymi do wykrycia, tłumacząc dlaczego do tej pory wymykały się odkryciu. Ponieważ Słońce jest znacznie cięższe od Ziemi - około 330 000 razy więcej niż masa naszej planety - posiada silniejsze przyciąganie grawitacyjne. W zasadzie oznacza to, że Słońce może gromadzić znacznie więcej ciemnej materii niż Ziemia. Ta większa gęstość mogłaby ułatwić sondom w pobliżu Słońca na wykrycie tych cząstek.
Wizja przedstawiająca Parker Solar Probe badającą Słońce. (Image credit: Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory)
Misja Parker Solar Probe pokazała, że można wysłać satelitę bardzo blisko słońca, obserwując nowe warunki i dokonując odkryć.
W zasadzie fale ultralekkich cząstek ciemnej materii mogłyby wywołać zmiany w fundamentalnych stałych natury, takich jak masa elektronu lub moc siły elektromagnetycznej. To z kolei zmieniłoby sposób tykania zegarów atomowych - efekt ten zależy od atomów, z których korzysta zegar. Porównując, jak dwa różne zegary atomowe odmierzają czas w pobliżu Słońca, naukowcy mogą znaleźć ciemną materię. Porównywalne efekty mogą być również widoczne w przyszłych zegarach, które mogą okazać się jeszcze bardziej precyzyjne niż zegary atomowe, takie jak tzw. zegary jądrowe.
Naukowcy zauważyli, że misja SpaceQ wymagałaby zegarów, które wciąż są w fazie rozwoju. Ponadto, nawet gdyby wykryła sygnały ciemnej materii, badacze potrzebowaliby niezależnych eksperymentów, aby zweryfikować swoje ustalenia, zauważył Tsai.
"Jeśli możemy zmierzyć ciemną materię w różnych miejscach, to możemy stworzyć mapę rozkładu gęstości. A jeśli sygnał staje się silniejszy w kierunku Słońca, to byłby to przekonujący dowód dla odkrycia".Naukowcy szczegółowo opisali swoje odkrycia online 5 grudnia w czasopiśmie Nature Astronomy.
Źródło: space.com
