Изучение поведения атомных часов на борту космического корабля внутри орбиты Меркурия и очень близко к Солнцу может стать ключом к раскрытию природы темной материи, предполагает новое исследование, опубликованное в журнале Nature Astronomy.
Темная материя составляет более 80 процентов массы Вселенной, но до сих пор ее не обнаруживают на Земле, несмотря на десятилетия экспериментальных усилий. Ключевым компонентом этих поисков является предположение о локальной плотности темной материи , которая определяет количество частиц темной материи, проходящих через детектор в любой момент времени, и, следовательно, экспериментальную чувствительность. В некоторых моделях эта плотность может быть намного выше, чем обычно предполагается, и тёмная материя может становиться более концентрированной в одних регионах по сравнению с другими.
Одним из важных классов экспериментальных поисков являются поиски с использованием атомов или ядер, потому что они достигли невероятной чувствительности к сигналам темной материи. Это возможно отчасти потому, что когда частицы темной материи имеют очень маленькую массу, они вызывают колебания самих констант природы. Эти колебания, например массы электрона или силы взаимодействия электромагнитной силы, изменяют энергии перехода атомов и ядер предсказуемым образом.
Международная группа исследователей из Института физики и математики Вселенной им. Кавли (Kavli IPMU), Калифорнийского университета в Ирвине и Делавэрского университета Марианна С. Сафронова, увидели потенциал в этих колебательных сигналах. По их словам, в определенной области Солнечной системы, между орбитой Меркурия и Солнцем, плотность темной материи может быть чрезвычайно большой, что означает исключительную чувствительность к колебательным сигналам.
Эти сигналы могут быть уловлены атомными часами, которые тщательно измеряют частоту фотонов, испускаемых при переходе различных состояний в атомах. Сверхлегкая темная материя вблизи эксперимента с часами может изменить эти частоты, поскольку колебания темной материи немного увеличивают и уменьшают энергию фотона.
Хотя точная плотность темной материи вблизи Солнца неизвестна, исследователи утверждают, что даже поиск с относительно низкой чувствительностью может предоставить важную информацию. Плотность темной материи в Солнечной системе ограничивается только информацией об орбитах планет. В области между Солнцем и Меркурием, ближайшей к Солнцу планетой, ограничений почти нет. Таким образом, измерения на борту космического корабля могут быстро выявить ведущие мировые пределы темной материи в этих моделях.
Технология для проверки их теории уже существует. К примеру, солнечный зонд NAS Parker, который работает с 2018 года с помощью экранирования, пролетел ближе к Солнцу, чем любой искусственный корабль в истории, и в настоящее время работает внутри орбиты Меркурия, планируя переместиться даже ближе к Солнцу в течение года.
Да и в целом, идея отправки атомных часов в космос полезна по многим причинам, помимо поиска темной материи. Дальние космические миссии, в том числе возможные будущие миссии на Марс, потребуют исключительно точного измерения времени, которое обеспечивают атомные часы.
Читать TechDigest в Google
