Результати дослідження, опубліковані у журналі Nature Astronomy, відкривають шлях для здійснення масштабного астрофізичного пошуку аксіоноподібних частинок (англ. axion-like particles, ALPs) – із перспективою відкриття нових частинок або ж завершенням етапу їхнього вивчення на високих енергіях до появи інструментів наступного покоління.
У статті Constraints on axion-like particles from active galactic nuclei seen through galaxy clusters, опублікованій в одному з найрейтинговіших наукових журналів Nature Astronomy в серпні 2025 року, представлено нову стратегію пошуку аксіоноподібних частинок – можливих кандидатів на роль компонентів темної матерії. Замість лабораторних інструментів науковці використали безпосередньо Всесвіт як детектор, аналізуючи випромінювання від активних галактичних ядер, що світять крізь скупчення галактик.
Міжнародна команда науковців з Німеччини, Данії та України розробила проривну методику, що полягає у стекуванні спектрів яскравих джерел – активних галактичних ядер, які світять крізь скупчення галактик. Цей підхід перетворює складність астрофізичного середовища з джерела невизначеності на джерело передбачуваної переваги, дозволяючи виявляти чіткі сигнатури, спричинені ALPs .
На сьогодні одним із найбільших досягнень сучасної науки є Стандартна модель фізики частинок – теорія, що з надзвичайною точністю описує взаємодії між елементарними частинками. Проте вона пояснює лише близько 5% енергетичного балансу Всесвіту – так звану звичайну матерію. Близько 27% припадає на темну матерію – невидиму субстанцію, яка взаємодіє лише через гравітацію, ще 68% – на темну матерію, що спричиняє прискорене розширення Всесвіту. Разом ці компоненти формують приховану більшість космосу, і саме їхня природа є однією з найбільших загадок сучасної науки.
Попри прогрес, залишаються відкритими фундаментальні питання – зокрема, з яких частинок складається темна матерія. «Серед найперспективніших кандидатів – аксіоноподібні частинки. Це надлегкі бозони, які природно виникають у розширеннях Стандартної моделі, можуть розв’язати глибинні теоретичні проблеми та становити частину або всю темну матерію. Ці частинки можуть мати меншу масу, ніж нейтрино, і надзвичайно слабо взаємодіяти – проте залишати ледь помітні «відбитки» у світлі, що проходить крізь магнітні поля», – пояснює співавторка статті Лідія Задорожна, молодша наукова співробітниця кафедри квантової теорії поля та космомікрофізики, керівниця Центру колективного користування науковим обладнанням «Лабораторія фізики та астрофізики високих енергій» КНУ імені Тараса Шевченка.. Вчені кафедри квантової теорії поля та космомікрофізики досліджують різноманітні моделі темної матерії – від стерильних нейтрино та темних фотонів до первинних чорних дір, WIMPs, аксіонів та аксіоноподібних частинок. Дослідниця зазначила, що впродовж десятиліть науковці шукали ALPs у лабораторіях, використовуючи сильні магнітні поля та лазери. Але такі експерименти обмежені короткими відстанями та слабкими полями. Натомість унікальні умови Всесвіту, зокрема, масштабні космічні магнітні поля та світло, яке долає мільйони світлових років, відкривають перед вченим нові горизонти.
Пілотна робота вже встановила найсильніші на сьогодні обмеження на параметри аксіоноподібних частинок з астрофізичних спостережень та виявила цікаву спектральну особливість, узгоджену з можливим сигналом від ALPs. Нова методика відкриває шлях до наймасштабнішого пошуку нових частинок у сучасній астрофізичній науці.
Zadorozhna, L., Malyshev, D., Bidasyuk, Santangelo, А. & Ruchayskiy, O. (2025). Constraints on axion-like particles from active galactic nuclei seen through galaxy clusters. Nature Astronomy. https://www.nature.com/articles/s41550-025-02621-8 .
Рисунок. Ілюстрація методу. Активне ядро галактики (англ. Active galactic nucleus, AGN) має спектр γ-випромінювання без виражених особливостей (ліва панель). Проте якщо в природі існують аксіоноподібні частинки, частина фотонів AGN може перетворюватися на них під час проходження крізь скупчення галактик – величезні резервуари, що містять магнітні поля. Таке перетворення фотонів на ALPs створює характерні ознаки поглинання у спектрі AGN. Для окремих AGN ці спектральні особливості важко передбачити через обмежені знання про магнітні поля конкретних скупчень (центральна панель). Проте якщо поєднати дані від великої кількості пар AGNs та скупчень галактик (так зване стекування), ці ефекти починають проявлятися як чітка, впізнавана структура в об’єднаному спектрі (права панель).
Аліна ВОЛИК