Наблюдения за скоплениями галактик заставляют подозревать существование стерильного нейтрино

Наблюдения за скоплениями галактик заставляют подозревать существование стерильного нейтрино

Сразу два высокоучёных коллектива, возглавляемых Эзрой Булбулом (Esra Bulbul) из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики (США) и Алексеем Боярским, представляющим Лейденский университет (Нидерланды), анализируя архивные данные рентгеновских телескопов XMM-Newton и «Чандра», наткнулись на одну очень странную линию излучения.

Вообще, такое бывало и раньше. Давным-давно, в 1868 году, когда мы ещё не умели точно анализировать особенности спектральных линий тех или иных веществ в космосе, астроном Уильям Хаггинс нашёл «в небесах» новый химический элемент — «небулий». Через год странные запрещённые линии были обнаружены не только среди звёзд, но и на Солнце, точнее — в его короне (мифический «короний»). И понеслось: аврорий, геокороний и пр. В конце 1920-х, правда, оказалось, что никакого небулия нет, а есть кислород и водород в ионизированном состоянии, которые и дают диковинные спектральные линии.

Теперь, однако, всё иначе. Мы гораздо лучше представляем себе природу спектральных линий. Найденные «странные линии» с энергией 3,52 и 3,56 кэВ (результаты у групп слегка разные) никто не пытается отнести к ионам некоего загадочного химического элемента: никаких ионов с энергией перехода, равной таким значениям, мы не знаем, и, строго говоря, нет даже причин ожидать, что они существуют.

Тем не менее и у нашего времени есть свои белые пятна на лике природы. Да, такие линии излучения могут быть знаком существования тёмной материи (ТМ), благо никаких других мыслимых источников рентгеновского излучения такого рода в межзвёздной среде с ходу придумать не удалось. Но какие именно частицы тёмной материи могли породить эти необычные линии?

Исследователи, само собой, осторожничают: «Суть в том, что мы просто не знаем, что это такое, — говорит Эзра Булбул. — [Но] наиболее захватывающее объяснение — следы распада стерильного нейтрино». Заодно добавим: и единственное быстро приходящее в голову, ибо возможность аппаратной ошибки обе группы отсеяли с помощью нескольких непростых проверок.

Честно сказать, не помним, рассказывали ли мы уже об этом звере, поэтому на всякий случай (не) повторим: известные на сегодня нейтрино — поголовно кирально левые, то есть спин у них направлен против направления движения частицы, а антинейтрино, соответственно, кирально правые. В теории возможны и такие нейтрино, которые будут кирально правыми, а антинейтрино — наоборот, левыми, однако отыскать их много сложнее. Посудите сами: за минуту через вас пролетают триллионы нейтрино, но их обнаружение — целая проблема, так как изо всех взаимодействий они участвуют только в слабом (впрочем, иначе читать этот текст было бы некому, поэтому, быть может, это и хорошо) и гравитационном, кое в смысле лёгкости выявления ещё слабее.

«Правые» же нейтрино, по расчётам, должны взаимодействовать с материей только посредством гравитации — то есть, учитывая их, видимо, ничтожную массу, их сверхъестественно тяжело обнаружить. Название этой гипотетической группы нейтрино — стерильные — точно отражает суть дела. Раньше, когда считалось, что у нейтрино вообще нет массы, получалось, что взаимодействовать через гравитацию безмассовые частицы не могут всё равно, ибо не может гравитировать то, что имеет нулевую массу. Следовательно, само пребывание частиц такого рода в Стандартной модели было чисто символическим: вроде бы и есть частица, но вроде бы её никак нельзя обнаружить, да и не влияет она ни на что.

Позднее, когда стало понятно, что масса у нейтрино всё-таки есть и, по идее, ею может обладать стерильное нейтрино, всё стало проясняться: такой «мул» вполне может оказаться весьма плодовитым, представляя собой значительную часть ТМ. Но опять же пойди его обнаружь — ведь масса у отдельного нейтрино всё-таки ничтожная, и значимую роль нейтрино могут играть лишь благодаря прямо-таки зерговской многочисленности.

И тут вдруг астрономам повезло (если идея о стерильном нейтрино подтвердится, то это — Нобелевка!). Дело в том, что в теории такая частица может, хотя и очень редко, распадаться на «обычное» нейтрино и фотон. При этом каждый из продуктов распада унесёт с собой половину энергии «стерильного» предка, то есть линии в районе 3,52–3,56 кэВ могут указывать на обнаружение вот таких распадов стерильного нейтрино с массой в районе 7,04–7,12 кэВ.

Что ещё интереснее, пока анализ имеет статистическую достоверность в районе четырёх–пяти сигм, а интенсивность линии излучения убывает от центра галактических скоплений к их периферии, как и предсказывается для тёмной материи — и как не должно быть, если это элемент обычной материи (тех же газовых облаков). Увы, пока совершенно не ясно, насколько именно многочисленны эти гипотетические стерильные нейтрино и за какую именно часть тёмной материи (100%? 10%?) они могут отвечать, однако даже если это и не вся ТМ, то и тогда речь может идти об очень крупном астрофизическом открытии.

Впрочем, примерять фраки и затариваться туристическими буклетами по Стокгольму обеим группам пока рановато. Дело в том, что наблюдения проводились лишь на материале ограниченного числа галактических скоплений в Деве и Персее, а также ближайшей крупной галактики Туманности Андромеды. И хотя космический телескоп XMM-Newton показал следы линии на 3,5 кэВ и там и там, «Чандра» в Деве такой линии «не увидела». Да, в Персее этот телескоп её «вроде бы обнаружил», но давайте серьёзно: если тёмная материя есть, то она будет во всех галактиках Вселенной, не только в скоплениях. Следовательно, странно, что мы видим картину «там есть ТМ — там нет ТМ». Частично это можно списать на то, что наблюдения, по сути, проводились на пределе чувствительности современных земных рентгеновских телескопов, плюс к тому в истории могут участвовать следы чисто технических проблем «Чандры».

Просто вспомним, что в «чандровских» же наблюдениях карликовых галактик в Драконе и Малой Медведице уже находились следы странной линии изучения на 2,51 кэВ, после чего появилось предположение о стерильном нейтрино на 5 кэВ. Однако для решительных выводов тогда не хватило статистической значимости, составившей всего 1,8σ.

Разумеется, и сами исследователи, и их коллеги намерены в ближайшее время попробовать разрешить все имеющиеся сомнения наблюдениями других скоплений галактик в иных регионах Вселенной, в том числе при помощи новых рентгеновских телескопов.

С препринтами названных работ можно ознакомиться здесь и здесь.

Подготовлено по материалам NewScientist и Resonaances.