V magnetickom poli Zeme môžu byť ukryté stopy temnej hmoty. Vedci už našli niekoľko podozrivých signálov
Vedci chcú využiť Zem ako obrovský detektor temnej hmoty. V jej magnetickom poli hľadajú stopy hypotetických častíc, z ktorých by sa mohla skladať.
Temná hmota patrí medzi najväčšie záhady modernej fyziky. Astronómovia majú množstvo dôkazov, že vo vesmíre existuje, no zatiaľ sa im nepodarilo priamo odhaliť častice, z ktorých sa skladá.
Vieme pritom, že jej musí byť obrovské množstvo. Podľa súčasných odhadov tvorí približne štvrtinu celkového energetického obsahu vesmíru. Nežiari, neodráža svetlo a s bežnou hmotou reaguje len veľmi slabo. Práve preto ju nevidíme priamo, ale jej gravitačný vplyv môžeme sledovať napríklad pri pohybe galaxií.
Vedci preto skúšajú rôzne spôsoby, ako ju zachytiť. Tím z Kjótskej univerzity, Hirošimskej univerzity a Nihon University teraz prišiel s pomerne netradičným nápadom. Namiesto obrovského zariadenia postaveného v laboratóriu sa rozhodol využiť celú Zem.
Naša planéta má niečo, čo laboratóriá nedokážu napodobniť
Výskumníci sa zamerali na dve hypotetické častice, ktoré patria medzi kandidátov na temnú hmotu. Ide o takzvané axióny a tmavé fotóny. Tieto častice by mali byť extrémne ľahké, teda v skúmanom rozsahu by ich hmotnosť mala byť približne o 19 až 21 rádov menšia než hmotnosť elektrónu. Pri klasických experimentoch s axiónmi vedci využívajú veľmi silné magnety. Ak by sa axióny nachádzali v okolí a správne interagovali s magnetickým poľom, teoreticky by sa mohli premeniť na elektromagnetický signál, ktorý by vedci dokázali zachytiť.
Takéto laboratórne magnety však majú jednu prirodzenú nevýhodu. Ich pôsobnosť je obmedzená veľkosťou experimentu. Zem má v tomto smere obrovskú výhodu, jej magnetické pole siaha na neporovnateľne väčšej škále a okolo planéty sa navyše nachádza ionosféra. Medzi povrchom Zeme a ionosférou tak vzniká obrovská prirodzená elektromagnetická dutina. Vedci sa preto začali pýtať, či by sa tento priestor nedal využiť ako gigantický detektor.
Neprehliadni
„Položili sme si otázku, či by sme pri hľadaní mohli využiť samotnú Zem ako obrovský detektor,“ uviedol Atsushi Taruya, hlavný autor výskumu.
Zem môže zosilniť mimoriadne slabý signál
Práve dutina medzi Zemou a ionosférou zohráva v novom výskume dôležitú úlohu. Výskumníci vytvorili nový teoretický model, ktorý počíta aj s elektrickou vodivosťou atmosféry. Ich výpočty ukázali, že táto prirodzená dutina môže zosilniť elektromagnetické vlny v okolí frekvencie približne 8 hertzov.
Model zároveň umožnil spoľahlivejšie predpovedať správanie systému až do približne 30 hertzov. To vedcom otvorilo možnosť pozrieť sa na existujúce údaje o magnetickom poli Zeme a hľadať v nich veľmi slabú stopu, ktorú by mohli zanechať častice temnej hmoty. A práve tu prišla na rad databáza, ktorá sa na prvý pohľad môže zdať úplne obyčajná.
Výskumníci analyzovali približne desať rokov meraní geomagnetického poľa z observatória Eskdalemuir v Škótsku. Dáta pochádzali z rokov 2012 až 2022 a poskytol ich British Geological Survey. Najskôr z nich museli odstrániť umelý šum. Magnetické merania totiž neovplyvňuje iba samotná príroda. Do údajov sa môžu dostať aj signály spôsobené ľudskou činnosťou alebo technickými zariadeniami. Potom vedci hľadali veľmi konkrétny typ signálu. Ak by axióny alebo tmavé fotóny skutočne vytvárali očakávaný efekt, mal by sa v dátach objaviť úzky a dlhodobo stabilný signál na určitej frekvencii.
Axióny by sa mohli prejaviť inak ako tmavé fotóny
Výskum je zaujímavý aj tým, že vedci nehľadali iba jednu možnú časticu. Pri axiónoch očakávali, že sila prípadného signálu sa môže meniť podľa geografickej polohy. Najvýraznejší signál by podľa ich modelu mohol vzniknúť v oblasti juhovýchodnej Ázie. Tmavé fotóny by sa však mali správať odlišne. Ich signál by mal byť podľa teórie takmer rovnaký bez ohľadu na miesto merania. Vedci preto mohli hľadať rôzne charakteristiky v existujúcich geomagnetických údajoch. Výsledky pri axiónoch priniesli zaujímavé obmedzenia. V určitom rozsahu ich hmotností sa podarilo stanoviť limity na silu interakcie axiónov so svetlom približne 100-krát presnejšie než pri doterajšom najlepšom pozemskom experimente.
Výsledok sa dokonca dostal na úroveň niektorých obmedzení získaných z astronomických pozorovaní röntgenového žiarenia pomocou vesmírnych observatórií Chandra a NuSTAR. Pri týchto porovnaniach však treba počítať aj s tým, že astronomické metódy závisia od určitých teoretických predpokladov.
V dátach sa objavili aj podozrivé signály
Analýza odhalila niekoľko kandidátnych signálov, ktoré by teoreticky mohli pochádzať z temnej hmoty. To však ešte rozhodne neznamená, že vedci temnú hmotu objavili. Takíto kandidáti môžu mať aj úplne iné vysvetlenie. Výskumníci preto potrebujú ďalšie merania a nezávislé testy, aby zistili, či ide o skutočný fyzikálny signál alebo iba o určitý typ šumu či iný známy jav.
Práve preto je dôležitá aj nová teoretická metóda, ktorú tím vytvoril. Vedcom umožňuje lepšie predpovedať, ako by sa elektromagnetické signály spojené s hypotetickými časticami mali v systéme Zem–ionosféra správať.
„Dutina medzi Zemou a ionosférou funguje ako prirodzený rezonátor, ktorý zosilňuje elektromagnetické vlny práve v rozsahu hmotností, ktorý sme chceli skúmať,“ vysvetlil Taruya.
Výhodou tohto prístupu je, že vedci nemusia postaviť obrovský nový detektor. Časť potrebnej „techniky“ už existuje prirodzene a geomagnetické observatóriá po celom svete navyše dlhodobo zhromažďujú údaje.
Výskum tak nepredstavuje potvrdenie konkrétnej častice temnej hmoty. Ukazuje však, že pri jej hľadaní možno využiť aj prírodné prostredie Zeme spôsobom, ktorý by ešte pred rokmi pôsobil pomerne netradične. Namiesto toho, aby vedci sledovali iba signály z obrovských laboratórnych magnetov, môžu sa pozrieť aj na magnetické pole celej planéty a na elektromagnetické vlastnosti priestoru medzi Zemou a ionosférou.
Ak ďalšie analýzy potvrdia, že niektorý z kandidátnych signálov má pôvod v novej častici, znamenalo by to významný posun v pátraní po temnej hmote. Zatiaľ však zostáva otvorených viacero otázok. Vedci preto chcú nový teoretický rámec využiť pri ďalších hľadaniach a porovnať výsledky z viacerých miest a dátových súborov.
