Существование темной материи опять поставили под сомнение

Электрон на графеновой подложке, плазмоны которой генерируют темно-синие колебания рентгеновских волн.

Электрон на графеновой подложке, плазмоны которой генерируют темно-синие колебания рентгеновских волн.

Можно только фантазировать, что рождается в глубинах космоса при столкновении галактик, «пожирании» звезд, неосторожно приблизившихся к супермассивным черным дырам, масса которых составляет миллионы солнечных, а также в процессах, приводящих к мощным гамма-всплескам. Современным физикам и астрономам вряд ли когда-нибудь удастся протестировать свои хитроумные гипотезы. Впрочем, гипотезы эти и создаются зачастую изначально вовсе не для того, чтобы их проверять экспериментально.

Свет представляет собой единение электрического и магнитного полей, распространяющихся как единое целое во взаимно перпендикулярных плоскостях. Носителем электричества, как известно, является электрон. Эта элементарная частица входит в группу лептонов (сравни: лепта, лепота как легкость и изящество). Если электрон разогнать до определенной скорости, а затем поток электронов отклонить, то от электрона «оторвется» часть энергии – возникнет так называемое рентгеновское (синхротронное) излучение. Именно на этом принципе была основана работа телевизоров с электронно-лучевыми трубками.

Сегодня отклонение мощных электронных потоков, получаемых в ускорителях, дает рентгеновское излучение такого качества, что с его помощью структуру, например, протеинов определяют с точностью до атома (атомное разрешение в силу очень малой длины рентгеновской волны). Но такие рентгеновские «микроскопы» весьма дороги, да и небезопасны.

Поэтому еще в конце 2015 года специалистами Массачусетского технологического института (МIТ) было предложено получать рентгеновское излучение с помощью одиночных электронов, размещенных на графеновой подложке. Сначала, конечно же, были компьютерные модели, показавшие принципиальную возможность осуществления идеи. При этом графен сам играл весьма важную роль в генерировании плазмонов, то есть общей для нескольких подвижных электронов волны, возникающей под действием лазерного импульса.

В силу своей квантовой природы плазмоны порождают волновой спектр от инфракрасных до рентгеновских лучей, причем как в лазере когерентных – с одной частотой или длиной волны. Исследователи из МIТ заявляли тогда, что такого рода рентгеновский источник «настольного базирования» будет весьма дешевым и вполне безопасным. Пока рентгеновские лучи высокой степени когерентности удается получать только на нескольких больших ускорителях.

Спустя менее полутора лет МIТ объявил о реальности «поддержки» графеном генерируемых плазмонов, позволяющих манипулировать светом в масштабах, не превышающих 10 нм (10–8 м). Тем самым ученые подтвердили работу теории, описывающей взаимодействие электронов и плазмонов, в результате чего могут генерироваться рентгеновские лучи.

Такого рода управляемые источники снизят цены на биологические и другие исследования. Немаловажно и то, что ими легче манипулировать, регулируя скорость электронов, частоту графеновых плазмонов и проводимость подложки. Возможно, что лазерные фотоны, уловленные оптическим ловушками, смогут также направлять и ход пока весьма хаотичных,  особенно в органической химии,  реакций, демонстрируя тем самым квантовую природу взаимодействия фотона и материи. По крайней мере в этом уверены в гамбургском Институте структуры и динамики материи. Свою статью в журнале «Труды АН США» (PNAS) немецкие ученые назвали «Атомы и молекулы в оптических полостях: от слабого до сильного спаривания в квантово-электродинамической химии».

Квантовая физика рождалась 100 лет назад из изучения и создания теории атома водорода. Более сложные «конструкции» во времена отсутствия компьютеров просчитать было невозможно. Можно напомнить, что гравитационный эффект Солнца на проходящие вблизи него лучи был зафиксирован с помощью обычного телескопа. Ничего более сложного и с большим разрешением у астрономов до запуска космического телескопа «Хаббла» не было. Отсюда и возможные ошибки, порожденные использованием столь несовершенных инструментов, недаром Эйнштейн колебался в вопросе о расширении Вселенной.

Поэтому красное смещение в спектре удаленных галактик, свидетельствующее об увеличении скорости разбегания далеких галактик, которое открыл американский астроном Эдвин Хаббл, явилось чуть ли не божьим откровением. В эпоху оптической астрономии были открыты, вернее, вычислены на кончике пера темная энергия и темная материя. Именно эти все еще гипотетические субстанции удерживают космические объекты от разлетания «вдребезги». Однако исследовательские комплексы ХХI века подвергли сомнению вроде бы окончательно установленный «темный» факт.

Белый карлик, слишком приблизившийся к массивной черной дыре массой 3 миллиона солнечных, разрываемый ею на осколки. Иллюстрации Physorg

Флюоресценция является вариантом люминесценции, возникая как следствие возбуждения электрона и его перехода на более высокий энергетический уровень. Следствием этого перехода является очень быстрая релаксация-«расслабление» с возвращением частицы на исходный уровень. При этом избыток энергии излучается в виде фотона. Мы уже привыкли к картинкам с «участием» зеленого флюоресцентного протеина (GFP), испускающего зеленые длинноволновые фотоны после его облучения ультрафиолетом.

Вследствие единства законов квантовой физики флюоресценция характерна и для межгалактического водорода, дающего красную флюоресценцию вокруг, например, галактики UGC 7321. Звезды этой галактики, находящейся в 30 млн световых лет от Земли, излучают в ультрафиолетовом диапазоне, давая тем самым энергию для флюоресценции водорода. Тем самым астрономы получили еще одну возможность увидеть то, что раньше видеть не удавалось.

Новые подходы позволили ученым Института экспериментальной физики в Гарчинге, что под Мюнхеном, детально рассмотреть одну из юных галактик, в которой идет интенсивное звездообразование. Сложные расчеты и вычисления орбитальных скоростей звезд и газопылевых скоплений позволили выявить так называемые ротационные кривые, показывающие неравномерность их движения. Статья с результатами этого исследования опубликована в журнале Nature.

А неравномерность эта возвращает нас к Ньютону, против которого выступила Вера Рубин. Эта исследовательница была убеждена, что темная материя составляет значительную долю Вселенной. Немцы же уверены, что у барионной, то есть «тяжелой» (из протонов и нейтронов) материи 10 млрд лет назад было преимущество. Недаром их статья так и называется: «Дисковые галактики с доминированием барионов были на пике формирования галактик 10 миллиардов лет назад».

С немцами согласны их канадские коллеги из университета провинции Альберта, которые с помощью рентгеновского орбитального телескопа Чандра обследовали шаровидный кластер Тукан, находящийся всего лишь в 15 тыс. световых лет от нас. Интерес к Тукану связан с тем, что его звезды излучают рентгеновские лучи разной степени жесткости, представленной красным, зеленым и синим цветами.