Сверхчувствительные отечественные сенсоры помогут добыть энергию из темной материи
Российские исследователи создали сенсоры для астрофизики, которые по чувствительности в два-три раза превосходят мировые аналоги. Устройства позволят изучать процессы, происходившие на ранних этапах эволюции Вселенной, а также искать аксионы — теоретические частицы, которые рассматриваются как один из возможных компонентов темной материи. Согласно одной из гипотез, под действием магнитного поля аксионы могут превращаться в фотоны — частицы электромагнитного излучения. В перспективе энергия этого процесса может стать практически неисчерпаемым источником. При этом эксперты отмечают, что темная материя может оказаться не совокупностью частиц, а свойством самого пространства.
Как ученые добились высокой чувствительности сенсоров
Ученые из Института физики микроструктур РАН и Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева создали датчики для радиоастрономии, чувствительность которых в два-три раза выше, чем у известных мировых аналогов. На разработку получен патент РФ.
— По сути, детекторы представляют собой приемники электромагнитного излучения. Когда оно попадает на чувствительный элемент, температура электронов повышается, что приводит к изменению регистрируемого сигнала. При этом важно максимально снизить утечку тепла, поскольку вместе с ним теряется и полезный сигнал, — объяснил «Известиям» ведущий научный сотрудник ИФМ РАН и НГТУ Андрей Панкратов.
По его словам, добиться этого удалось благодаря тонкому слою гафния в конструкции. Он выполняет роль теплового барьера, замедляя передачу энергии электронов в окружающую среду и снижая паразитные токи, что повышает чувствительность датчика.
Новые устройства позволят расширить возможности радиоастрономических исследований. В частности, с их помощью можно будет изучать реликтовое излучение — слабый микроволновый фон, равномерно заполняющий Вселенную. Его исследование позволяет получать данные о процессах, происходивших на ранних этапах ее эволюции после Большого взрыва.
Кроме того, детекторы можно использовать для поиска аксионов — гипотетических частиц, которые рассматривают как один из возможных компонентов темной материи — невидимой субстанции, составляющей значительную часть массы Вселенной, но природа которой пока остается неизвестной.
— Считается, что аксионы почти не взаимодействуют с обычным веществом, поэтому обнаружить их напрямую крайне сложно. Но под действием сильного магнитного поля они могут превращаться в фотоны — частицы электромагнитного излучения, которые способен зарегистрировать датчик, — рассказал Андрей Панкратов.
Как получить новый неисчерпаемый источник энергии
По словам ученого, темная материя потенциально может стать источником практически неисчерпаемой энергии. Если существование аксионов удастся подтвердить и научиться управлять их превращением в фотоны, получаемое излучение теоретически можно будет преобразовывать в электричество. Поскольку, согласно современным представлениям, темная материя присутствует практически повсеместно, запасы такого ресурса во Вселенной могут быть огромными. В перспективе эту энергию можно было бы использовать как на Земле, так и на космических аппаратах для дальних экспедиций и полетов к другим звездным системам.
— Корректнее говорить не об «энергии темной материи», а об энергии электромагнитного излучения, которая может конвертироваться из темной материи. Пока это лишь перспективная научная гипотеза. Но новые датчики благодаря высокой чувствительности к слабым электромагнитным сигналам могут стать одним из инструментов для ее проверки, — уточнил ученый.
По его мнению, новые устройства также могут использоваться в качестве резервных приемников перспективной космической обсерватории «Миллиметрон» и наземных астрофизических комплексов. В частности, такие радиотелескопы планируют размещать на горе Хулугайша в Восточных Саянах, в Бурятии.
Площадка расположена на высоте около 2,8 тыс. м. Интерес к ней связан прежде всего с низким содержанием водяного пара в атмосфере: он поглощает миллиметровое и субмиллиметровое излучение.
— Новые датчики используют эффекты, которые пока не описаны теорией. В некотором смысле они ее опередили, что открывает возможности для целого ряда новаторских экспериментов на переднем крае науки. При этом уникальность детекторов заключается не только в рекордной чувствительности, но и в способности регистрировать не отдельные сигналы, а накапливать их статистику. Это поможет понять природу излучения астрофизических объектов и изучить происходящие внутри них процессы, — рассказал «Известиям» директор Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ, профессор Василий Столяров.
По его мнению, такие детекторы могут помочь идентифицировать ранее неопознанные сигналы на фоне шумов, в том числе связанных с околоземной средой. При этом наличие патента на устройство свидетельствует о том, что разработка имеет не только фундаментальное, но и прикладное значение и потенциально готова к внедрению в производство.
Среди возможных сложностей эксперт назвал трудоемкость и высокую стоимость изготовления сверхпроводников на современном этапе развития науки. Кроме того, для работы устройств требуется охлаждение до нескольких десятков милликельвинов. Однако развитие техники и совершенствование технологий постепенно позволяют преодолевать эти ограничения.
— Сейчас, когда многие зарубежные технологии недоступны, создание собственных сенсоров такого класса для отечественной науки — вопрос не только престижа, но и жизненной необходимости. Они обеспечат технологическую независимость национальных научных проектов, — считает астрофизик и популяризатор науки Владимир Афанасьев.
Вместе с тем, по его мнению, к гипотезе об аксионах как источнике практически неисчерпаемой энергии следует относиться с осторожностью. Изначально существование этих частиц предположили для объяснения барионной асимметрии Вселенной — загадки, связанной с тем, почему после Большого взрыва материи оказалось значительно больше, чем антиматерии. При этом темная материя и темная энергия — разные физические понятия: последнюю можно рассматривать как свойство самого пространства. Тем не менее подтверждение или опровержение существования аксионов станет значимым результатом для науки, резюмировал эксперт.