Призрачный след во Вселенной оказался обманчивым — чем закончилась громкая история, полная тайн и загадок

В ноябре 2025 года в астрофизике завершилась эпоха одной из самых обсуждаемых загадок последнего десятилетия. Коллаборация новейшей космической обсерватории XRISM опубликовала результаты масштабного исследования, которые ставят точку в спорах вокруг так называемой "линии 3,5 кэВ".

Фото: commons.wikimedia. org by Famartin, https://creativecommons.org/public-domain/pdm/

Радио-волны из космоса

Более десяти лет ученые надеялись, что слабый сигнал, зафиксированный в спектрах далеких галактик, является прямым доказательством существования стерильных нейтрино — частиц тёмной материи. Новые данные, полученные с беспрецедентной спектральной точностью, показали: искомой линии не существует. То, что принимали за след новой физики, оказалось совокупностью инструментальных погрешностей и обычного излучения горячего газа.

Аномалия 2014 года

История вопроса берет начало в 2014 году, когда две независимые группы астрономов, анализируя данные телескопов XMM-Newton и Chandra, обнаружили необъяснимый избыток излучения в спектрах скоплений галактик. Сигнал фиксировался на энергии 3,55 килоэлектронвольт (кэВ).

Ни один из известных атомных переходов химических элементов не должен был давать эмиссионную линию именно такой яркости на этой частоте. Это породило гипотезу о нестандартном происхождении сигнала. Согласно теоретическим моделям, такая линия могла возникать при распаде стерильных нейтрино — гипотетических частиц, кандидатов на роль тёмной материи с массой около 7,1 кэВ.

Если бы гипотеза подтвердилась, это стало бы прорывом: человечество впервые получило бы возможность наблюдать тёмную материю, которая составляет около 85% всей материи во Вселенной, но не взаимодействует со светом.

Технологический предел старых обсерваторий

Проблема интерпретации данных 2014 года заключалась в технических характеристиках телескопов того времени. Детекторы на основе ПЗС-матриц (CCD), установленные на XMM-Newton и Chandra, имеют спектральное разрешение порядка 100-150 эВ.

В контексте рентгеновской спектроскопии это низкое разрешение. Скопления галактик заполнены горячей плазмой с температурой в миллионы градусов, которая излучает множество тесно расположенных спектральных линий (сера, аргон, кальций, хлор). При разрешении в 100 эВ эти линии могут сливаться друг с другом, образуя широкие пики. Слабый сигнал тёмной материи приходилось искать на фоне этого сложного шума, что оставляло огромное пространство для статистических ошибок и ложных интерпретаций.

Инструмент нового поколения: XRISM Resolve

В 2023 году Японское агентство аэрокосмических исследований (JAXA) совместно с NASA и ESA запустило миссию XRISM (X-Ray Imaging and Spectroscopy Mission). Ключевой инструмент на борту — спектрометр Resolve.

Resolve работает на принципиально ином физическом принципе — это микрокалориметр. Прибор не считает электрический заряд от фотонов, а измеряет тепловую энергию. Детектор охлажден до температуры 50 милликельвинов (лишь на доли градуса выше абсолютного нуля). Попадание даже одного рентгеновского фотона вызывает микроскопическое повышение температуры, которое фиксирует электроника.

Эта технология обеспечивает спектральное разрешение в 5 эВ. Это в 20-30 раз точнее, чем у предшественников. Такая точность позволяет Resolve видеть отдельные спектральные линии там, где старые телескопы видели лишь сплошной фон.

Методология исследования

Для проверки гипотезы тёмной материи команда XRISM провела наблюдение 10 массивных скоплений галактик, включая скопления в созвездиях Персея, Волос Вероники (Coma), Змееносца и Центавра.

Чтобы максимизировать чувствительность поиска, ученые использовали метод стекирования (суммирования) спектров.

• Коррекция красного смещения: поскольку скопления находятся на разных расстояниях от Земли, линии в их спектрах смещены из-за расширения Вселенной. Спектр каждого объекта был скорректирован так, чтобы привести его к единой системе отсчета (покоя).
• Накопление сигнала: Суммарное время экспозиции составило 3,75 миллиона секунд. Это позволило снизить уровень случайного шума и выявить даже самые слабые источники излучения.
• Результаты: тишина в эфире

Анализ полученных данных показал однозначный результат: на энергии 3,5 кэВ нет никакой выделенной эмиссионной линии.

Ключевые выводы исследования

• Отсутствие сигнала: спектр в интересующей области оказался гладким, за исключением известных слабых линий атомов аргона и серы.
• Количественная оценка: установленный верхний предел интенсивности распада частиц тёмной материи оказался в 5 раз ниже, чем уровень сигнала, заявленный в работе 2014 года. Это означает, что если стерильные нейтрино и существуют, они не могут распадаться с той интенсивностью, которая требовалась для объяснения аномалии 3,5 кэВ.
• Природа ошибки 2014 года: высокое разрешение XRISM позволило понять, что именно ввело в заблуждение астрономов в прошлом. То, что выглядело как линия тёмной материи, вероятнее всего, было комбинацией нескольких слабых атомных линий плазмы и недостаточной точности калибровки старых детекторов.

Значение для современной физики

Публикация результатов XRISM несет два важных последствия для науки.

Во-первых, это сужает поле поисков тёмной материи. Модель стерильных нейтрино с массой 7 кэВ была привлекательна тем, что она хорошо описывала структуру распределения материи в карликовых галактиках (так называемая модель "теплой" тёмной материи). Теперь физикам-теоретикам придется искать другие диапазоны масс или другие типы частиц.

Во-вторых, это триумф инструментальной астрофизики. Микрокалориметрия доказала свою эффективность. Способность XRISM разделять спектр на мельчайшие составляющие открывает возможность детально изучать химический состав Вселенной, скорость движения газа в скоплениях и физику черных дыр с недоступной ранее точностью.

"Линия 3,5 кэВ" исчезла с карт звездного неба, но взамен астрономия получила инструмент, который позволяет видеть рентгеновскую Вселенную такой, какая она есть на самом деле — без ложных сигналов и размытых данных.