Физики переосмысливают темную материю

Могут возникнуть новые частицы, взаимодействия и, возможно, даже Темный Большой взрыв.

ЧИТАТЕЛЯМ статьи, вероятно, не понадобится напоминать, что большая часть Вселенной отсутствует. Атомы и свет, которые вы видите — от людей до планет, звезд и галактик — составляют всего 5% Вселенной. Остальное — загадка из двух частей— вещество под названием “темная энергия”, которое раздвигает пространство, составляет 68% космоса; то, что осталось, около 27%, — это темная материя.

Темная материя не излучает света, и ученые знают о ее существовании только потому, что, когда они смотрят в ночное небо, они видят галактики, вращающиеся намного быстрее, чем следовало бы. Законы физики предполагают, что эти галактики должны разорваться в клочья с такой колоссальной скоростью. Но астрономы не видят разлетающихся галактик, что подразумевает, что в них гораздо больше вещества, чем можно наблюдать в форме звезд, и, следовательно, больше гравитационной силы, удерживающей все вместе.

На протяжении десятилетий астрономы могли измерять поведение темной материи и указывать на участки неба, где она должна существовать. Но что это на самом деле такое — остается загадкой. Основная гипотеза, получившая название “Холодная темная материя” (cdm), предполагает, что темная материя представляет собой жидкость из частиц, которые медленно движутся относительно скорости света и взаимодействуют друг с другом и со всем остальным во Вселенной в основном под действием силы тяжести.

Испускаем дух

Но после более чем полувека бесплодных поисков, усугубленных чередой недавних астрономических аномалий, у cdm возникли проблемы. Физики тяготеют к другой теоретической структуре, известной как “Самодействующая темная материя” (sidm), которая предполагает существование скрытой вселенной темных частиц и темных сил, существующей параллельно со знакомыми частицами и силами обычной материи. У этой темной вселенной мог даже быть свой собственный “Темный Большой взрыв», событие рождения, которое произошло бы через некоторое время после более знакомого Большого взрыва, положившего начало вселенной 14 миллиардов лет назад.

cdm является одним из столпов Стандартной модели космологии. Другая, которая направлена на объяснение темной энергии, известна под греческой буквой Лямбда. В совокупности эти описания почти идеально воспроизводят эволюцию видов крупномасштабных структур, которые астрономы наблюдают сегодня во Вселенной — галактик, галактических скоплений и гигантских галактических сверхскоплений.

Теория не знает, из каких именно частиц состоит темная материя. Но наиболее многообещающие кандидаты до сих пор были известны как слабо взаимодействующие массивные частицы (wimp). Это частицы, масса которых в 1000 раз превышает массу протона, и модели ранней вселенной предсказывают, что — если wimp действительно существуют — они должны присутствовать в нужных количествах сегодня, чтобы объяснить темную материю, счастливое совпадение, известное как “wimp чудо».

По всему миру были построены десятки высокочувствительных детекторов для обнаружения wimp. Многие прячутся на сотни метров под землей, чтобы защититься от шума и получить наибольшие шансы обнаружить тонкие взаимодействия, которые, по прогнозам, производят wimp с обычной материей. Были даже надежды, что ускорители частиц, такие как Большой адронный коллайдер (бак) в церн в Швейцарии, смогут обнаружить одного-двух кандидатов в wimp в шрапнели столкновений частиц высоких энергий. К сожалению, несмотря на более чем 40 лет и миллионы долларов, потраченных на поиски, wimps упорно остаются неуловимыми.

Это не единственная проблема с cdm. Теория проделывает потрясающую работу по воспроизведению крупномасштабных структур Вселенной, но, поскольку новые телескопы позволяют астрономам все глубже заглядывать в далекие галактики, а быстро совершенствующиеся суперкомпьютерные симуляции позволяют им исследовать последствия cdm в меньших масштабах, становится ясно, что теория не так хорошо воспроизводит гораздо более мелкозернистые структуры Вселенной.

Темная сторона Луны

Выделяются две аномалии. Первая касается структуры галактик. cdm подразумевает, что, поскольку она движется медленно и испытывает действие гравитации, темная материя должна накапливаться с непостижимо высокой плотностью в ядрах галактик. Но это не то, что наблюдают астрономы. Плотность темной материи действительно возрастает по мере продвижения от края реальной галактики к ее центру. Но на расстоянии нескольких тысяч световых лет от середины плотность достигает плато, а затем остается стабильной на всем пути к ядру.

Вторая аномалия касается галактик-спутников. cdm подразумевает, что вокруг больших галактик должны вращаться тысячи галактик-спутников меньшего размера. Но это также не то, что наблюдают астрономы. Млечный Путь и подобные ему галактики, как правило, вращаются вокруг горстки галактик-спутников, и те, которые наблюдают астрономы, также меньше, чем предсказывает cdm.

Эти расхождения могут быть объяснены с помощью sidm. Простые версии теории предполагают только одну новую элементарную частицу темной материи и одну новую фундаментальную “темную силу”; в более сложных версиях присутствует шведский стол из новых темных частиц и сил, постоянно взаимодействующих друг с другом. Более сложные версии вдохновлены устоявшейся Стандартной моделью физики элементарных частиц, которая представляет собой квантовомеханическое описание всех частиц (таких как кварки и электроны) и взаимодействий (сильных, слабых и электромагнитных) обычной материи.

Одна из версий sidm вводит новую темную силу, эквивалентную электромагнетизму, которую ощущает гипотетическая частица с “темным” зарядом — по сути, темный электрон, — которая взаимодействует путем обмена ”темными фотонами». Однако в отличие от знакомого фотона, который не имеет массы и обладает электромагнитным взаимодействием, темные фотоны потенциально могут обладать массой.

sidm решает проблемы, которые преследуют cdm, сохраняя при этом все функции, которые в первую очередь сделали cdm привлекательным. Если бы темная материя могла взаимодействовать сама с собой, ее частицы были бы способны рассеиваться друг от друга, создавая давление в центрах галактик, которое не позволяет темной материи достигать непостижимо высоких плотностей. Это похоже на давление в воздушном шаре, вызванное тем, что молекулы воздуха отскакивают друг от друга. Это могло бы объяснить, почему плотность темной материи в ядрах галактик намного ниже, чем предсказывает cdm.

Эта идея убивает двух зайцев одним выстрелом. В статье, опубликованной в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society в конце 2022 года, Виктор Морено и его коллеги из Даремского университета показали, что галактики с менее концентрированной темной материей в своих ядрах более жестоко поглощают карликовые галактики-спутники в процессе, известном как “приливная зачистка”, когда гравитационное притяжение более крупной галактики удаляет как материю, так и темную материю со своих спутников. Это объяснило бы, почему существует меньше спутников, чем предсказывает cdm, и почему те, которые наблюдаются, меньше, чем предсказывает cdm. Они были уменьшены до меньших размеров или сведены к несуществованию.

Помимо решения проблем с cdm, sidm также делает прогнозы, которые позволяют протестировать его на cdm. В условиях, которые определяли раннюю вселенную, но которые, к счастью, больше не присутствуют во вселенной сегодня, как cdm, так и sidm допускают возможность “темных звезд”. Это не звезды, какими мы их знаем сегодня, а газовые облака размером с солнечную систему, в которых темная материя и ее аналог из антивещества — темная антиматерия — вели войну на постоянное взаимное уничтожение. Поскольку при таких взаимодействиях выделяется экспоненциально больше энергии, чем даже при ядерном синтезе, эти гигантские рассеянные облака газа светились бы светом целой современной галактики.

В статье, опубликованной в журнале pnas в июле 2023 года, Кэтрин Фриз, специалист по физике элементарных частиц из Техасского университета, и ее коллеги определили три объекта, достаточно старые, яркие и компактные, чтобы быть кандидатами в темные звезды по данным, собранным космическим телескопом Джеймса Уэбба. “Если это окажутся темные звезды — и это может быть подтверждено дополнительными данными — их массы, температуры и спектры излучения однажды можно будет использовать для различения моделей темной материи, в том числе между cdm и sidm”, — говорит она.

Доктор Фриз также привел доводы в пользу Большого Темного взрыва, который мог породить темную материю независимо от обычной в первые дни после Большого взрыва. Традиционная модель Вселенной гласит, что вещество и темная материя возникли в одно и то же время. Однако самые ранние свидетельства существования темной материи появляются позже, на ранних этапах эволюции Вселенной, когда начинает формироваться космическая структура.

Одно из объяснений этого заключается в том, что материя и темная материя на самом деле возникли не вместе, а что темная материя вошла во Вселенную во время второго катастрофического выброса энергии из вакуума — Большого Темного взрыва — спустя месяц после традиционного Большого взрыва. Модель, которую исследовали доктор Фриз и ее соавтор Мартин Винклер, могла бы объяснить, почему темная материя может быть полностью отделена от традиционной материи, а также естественным образом производить sidm-кандидатов. Если бы произошел такой Темный Большой взрыв, он оставил бы четкую сигнатуру — закономерность в частотах гравитационных волн, которые гудят по всей Вселенной, — которую могли бы уловить будущие детекторы гравитационных волн.

Наконец, могут также существовать способы непосредственного обнаружения взаимодействующей с самим собой темной материи. Тот факт, что sidm кандидаты значительно легче, чем wimp, означает, что традиционные wimp детекторы, работающие в последние несколько десятилетий, вероятно, пропустили их. Новые эксперименты могут это изменить.

Детектор faser на бак, который начал собирать данные в 2022 году, предназначен для обнаружения чрезвычайно легких частиц темной материи, таких как темные фотоны, которые могут образовываться при столкновениях на бак. Аналогично, эксперимент Supercdms в snolab начнется в 2024 году. Система Supercdms, расположенная в заброшенной шахте в Канаде, предназначена для обнаружения едва заметных столкновений между легкими частицами темной материи, включая кандидатов в sidm, и атомами в кристаллах кремния и германия.

Больше не боятся темноты

Однако на данный момент темная материя по-прежнему решительно отказывается раскрывать свои секреты. К счастью, у физиков редко бывает нехватка идей. sidm, возможно, не тот метод, который раскрывает истинную природу темной материи, но одна идея в конечном итоге это сделает.

В то же время это предлагает романтическое видение космоса. Есть утешение в идее, что где-то астрономы, состоящие из темных атомов и смотрящие в телескопы, которые увеличивают темные фотоны, возможно, тоже ломают голову, задаваясь вопросом, почему в их вселенной отсутствует небольшое количество материи.