Магнитное поле Земли может помочь обнаружить темную материю: ученые предложили необычный метод поиска

Темная материя остается одной из самых больших загадок современной физики. Астрономы уверены, что именно она удерживает галактики от разрушения, влияет на движение звезд и формирует крупномасштабную структуру Вселенной. Однако несмотря на десятилетия исследований, ученым до сих пор не удалось напрямую зарегистрировать частицы, из которых она состоит. Новая работа предлагает необычный подход к решению этой проблемы: использовать в качестве гигантского научного прибора не лабораторию, а саму Землю.

По современным космологическим оценкам, обычное вещество, из которого состоят планеты, звезды, люди и все привычные объекты, составляет лишь небольшую часть общей массы и энергии Вселенной. Значительно большую долю занимает темная материя и темная энергия. При этом темная материя практически не взаимодействует со светом, поэтому ее невозможно увидеть даже самыми мощными телескопами. О ее существовании ученые судят исключительно по гравитационному воздействию на окружающее вещество.

За последние десятилетия было предложено множество кандидатов на роль частиц темной материи. Среди наиболее перспективных остаются аксионы и темные фотоны — гипотетические сверхлегкие частицы, масса которых может быть в миллиарды миллиардов раз меньше массы электрона. Их существование пока не подтверждено экспериментально, однако многие современные физические теории допускают возможность их появления.

Большинство лабораторных экспериментов по поиску аксионов основано на использовании очень сильных магнитных полей. Согласно теоретическим моделям, в таких условиях аксионы способны превращаться в обычные фотоны — частицы света. Именно эти слабые электромагнитные сигналы ученые и пытаются зарегистрировать с помощью высокочувствительных приборов.

Главная проблема подобных установок заключается в их ограниченных размерах. Даже самые мощные сверхпроводящие магниты создают магнитное поле лишь в пределах лаборатории. Это существенно сокращает объем пространства, где может происходить взаимодействие гипотетических частиц с магнитным полем.

Авторы нового исследования предложили взглянуть на проблему совершенно иначе. Вместо создания все более крупных лабораторных магнитов они решили использовать уже существующее магнитное поле Земли, которое охватывает всю планету и простирается далеко в космос. По своим размерам такой естественный магнит невозможно сравнить ни с одной современной экспериментальной установкой.

Особый интерес ученых вызвало пространство между поверхностью Земли и ионосферой — верхним слоем атмосферы, насыщенным заряженными частицами. Эта область образует своеобразную природную электромагнитную полость, способную усиливать определенные колебания. Подобные явления давно известны физикам и проявляются, например, в виде так называемых резонансов Шумана — естественных электромагнитных волн, возникающих в атмосфере нашей планеты.

Исследователи разработали новую теоретическую модель, которая впервые учитывает влияние электропроводности атмосферы при поиске сверхлегких частиц. Расчеты показали, что естественная полость Земля — ионосфера способна усиливать сигналы в диапазоне частот около восьми герц и сохраняет чувствительность вплоть до тридцати герц. Это значительно расширяет область поиска по сравнению с прежними моделями.

После создания теоретической основы ученые приступили к анализу реальных данных. Для исследования использовались многолетние записи магнитного поля, полученные в британской геомагнитной обсерватории Эскдейлмуир. В распоряжении исследователей оказались непрерывные наблюдения почти за десять лет — с 2012 по 2022 год.

Сначала из огромного массива информации были удалены различные источники искусственных помех. Магнитное поле Земли постоянно испытывает влияние линий электропередачи, промышленного оборудования, радиосвязи и множества других факторов. После очистки данных специалисты приступили к поиску чрезвычайно слабых и устойчивых сигналов, которые могли бы соответствовать взаимодействию гипотетических частиц темной материи с магнитным полем нашей планеты.

Теория предсказывает, что аксионы и темные фотоны должны проявлять себя по-разному. Если аксионы взаимодействуют с магнитным полем, то интенсивность возникающего сигнала зависит от географического положения. В некоторых районах Земли он должен быть заметно сильнее. Темные фотоны, напротив, способны генерировать электромагнитные волны практически независимо от магнитного поля, поэтому ожидается, что их сигналы будут значительно более равномерными по всей планете.

Результаты анализа оказались весьма интересными. Для аксионов исследователям удалось установить новые ограничения на силу их взаимодействия со светом. Эти ограничения оказались примерно в сто раз более строгими, чем лучшие результаты, ранее полученные в специализированных наземных экспериментах. По чувствительности новый метод приблизился даже к некоторым космическим наблюдениям, проводимым рентгеновскими обсерваториями.

Не менее любопытными оказались результаты поиска темных фотонов. В обработанных данных специалисты обнаружили несколько сигналов, которые теоретически могут соответствовать проявлениям этих гипотетических частиц. Однако сами авторы подчеркивают, что пока говорить об открытии преждевременно. Подобные сигналы могут иметь и совершенно иное происхождение, поэтому необходимы дополнительные наблюдения и независимая проверка результатов.

Даже если найденные сигналы впоследствии не окажутся следами темной материи, сама предложенная методика уже представляет большой интерес для физики. Она демонстрирует, что природные процессы и геофизические явления могут использоваться как полноценные научные инструменты, позволяющие исследовать фундаментальные свойства Вселенной без строительства гигантских лабораторий.

Сегодня поиски темной материи ведутся сразу несколькими способами. Ученые используют подземные детекторы, ускорители частиц, космические телескопы, рентгеновские обсерватории, гамма-детекторы и сверхчувствительные магнитные установки. Новый подход дополняет этот список, превращая всю планету в своеобразную экспериментальную площадку.

Хотя природа темной материи остается неизвестной, каждая подобная работа постепенно сужает круг возможных вариантов. Чем точнее становятся методы поиска, тем выше вероятность, что одна из величайших загадок современной науки наконец получит убедительное объяснение. Возможно, именно магнитное поле Земли в будущем поможет обнаружить частицы, которые миллиарды лет незаметно влияли на эволюцию Вселенной, оставаясь практически невидимыми для человечества.