На чем держится Вселенная. Сенсационная теория британских физиков объясняет, где прячется темная материя

Что выяснили ученые

Группа британских физиков во главе с Александром Геттелем из Кардиффского университета изучала данные третьего цикла наблюдений Лазерной интерферометрической гравитационной обсерватории (LIGO).

Результаты их исследования опубликованы в начале этого месяца в журнале Physical Review Letters.

«Некоторые теории предполагают, что темная материя ведет себя скорее как волна, чем как частица, — поясняет Геттель. — Эти волны будут вызывать крошечные колебания в обычной материи, которые могут быть обнаружены детекторами гравитационных волн».

Детекторы гравитационных волн, такие как LIGO, используют интерферометрию, чтобы ощутить пульсации пространства-времени, вызванные движением и взаимодействием массивных объектов, таких как черные дыры и нейтронные звезды.

В сущности, LIGO измеряет расстояние, пройденное подземными лазерами. Когда гравитационные волны сжимают или растягивают пространство, ученые видят по данным, что лазеры прошли чуть большее или меньшее расстояние, чем раньше. Это и есть свидетельство движения гравитационной волны.

Геттель и его коллеги изучали сверхлегкие бозоны, которые являются одной из гипотетических форм темной материи (другие формы включают аксионы и темные фотоны).

Уникальной особенностью темной материи, которую исследовала команда, является ее слабое взаимодействие с веществом и светом. Но формируемые ею облакоподобные образования позволяют ей проявиться в данных детектора гравитационных волн.

«На атомном уровне можно представить поле темной материи как колеблющееся вместе с электромагнитным полем, — поясняет Геттель. — Колебания поля темной материи эффективно изменяют фундаментальные константы, то есть постоянную тонкой структуры и массу электрона, которые управляют электромагнитным взаимодействием».

Иными словами, исследователи обозначили новые ограничения того, как темная материя может взаимодействовать с детектором LIGO, что повышает надежды эффективность будущих исследований.

Так, новые измерения команды улучшили результаты предыдущих работ в 10 000 раз в конкретном диапазоне частот, который они тестировали.

Темная материя скрывается в тех же данных, которые позволят нам наблюдать за гравитационными волнами. Повышая точность наших наблюдений в этой области, мы рано из поздно «загоним темную материю в угол», и сможем получить прямые доказательства ее существования, считают физики.

Теории о темной материи

Поиски темной материи давно являются одной из важнейших задач современной науки.

«Темная материя — это строительные леса, на которых держится Вселенная, — поясняет Кэтрин Фриз, физик-теоретик из Техасского университета в Остине. — Без нее мы не сможем объяснить структуру и эволюцию галактик».

Одна из наиболее известных теорий предполагает, что темная материя состоит из слабо взаимодействующих массивных частиц. Эти гипотетические частицы взаимодействуют через гравитацию и слабые ядерные силы, но не через электромагнитное излучение, что делает их невидимыми для телескопов.

Такие эксперименты, как Large Underground Xenon и его преемник, LUX-ZEPLIN, направлены на обнаружение этих частиц путем наблюдения редких взаимодействий с ядрами ксенона глубоко под землей, защищенными от космических лучей.

«Хотя нам еще предстоит обнаружить такие частицы напрямую, каждый эксперимент помогает нам сузить круг свойств, которыми могут обладать эти частицы, — отмечает Дэн Акериб из Стэнфордского университета.

Еще один интересный кандидат на роль носителя темной материи — аксион, легкая нейтральная частица, изначально предложенная для решения проблемы сильного взаимодействия в квантовой хромодинамике. Эксперимент Axion Dark Matter Experiment в Университете Вашингтона находится в авангарде этих поисков. Используя мощное магнитное поле и сверхчувствительные микроволновые детекторы, ADMX стремится превратить аксионы в фотоны, которые можно обнаружить.

Но есть и более смелые предположения. Так, некоторые теории выходят за рамки Стандартной модели физики частиц. Например, теория о стерильных нейтрино. Так называют гипотетические частицы, которые взаимодействуют только посредством гравитации. Они могут объяснить некоторые астрофизические наблюдения, например, избыток рентгеновского излучения от скоплений галактик.

Исследователи с помощью Рентгеновской обсерватории Чандра изучили эти аномалии. Доктор Эсра Булбул из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики отмечает: «Данные намекают на нечто необычное — возможный след стерильных нейтрино, — но нужны дополнительные доказательства».

Также были предложены альтернативы темной материи из частиц. Модифицированная ньютоновская динамика (MOND) предполагает, что наше понимание гравитации может быть неполным. Вместо того чтобы ссылаться на невидимую материю, MOND предполагает, что законы Ньютона нуждаются в корректировке в галактических масштабах.

В последнее время некоторые физики рассматривают идею о том, что темная материя образует сверхтекучее состояние в космических масштабах.

Эта теория пытается преодолеть разрыв между темной материей частиц и модифицированной гравитацией, предполагая, что темная материя проявляет различные свойства на разных масштабах. Профессор Джастин Хоури из Пенсильванского университета, сторонник этой модели, говорит: «Сверхтекучая темная материя может воспроизвести успехи MOND в галактиках, сохраняя при этом преимущества темной материи частиц в более крупных структурах».

Возможность использования «первобытных черных дыр» в качестве кандидатов на темную материю также всплыла на поверхность, особенно после обнаружения гравитационных волн с помощью проекта LIGO. Эти черные дыры могли образоваться в ранней Вселенной и могут составлять по крайней мере часть темной материи. Доктор Симеон Берд из Калифорнийского университета в Риверсайде отмечает: «Хотя первобытные черные дыры — это интригующая идея, современные наблюдения накладывают строгие ограничения на их количество во Вселенной».

Нельзя не упомянуть еще о теории сильно взаимодействующих массивных частиц. В отличие от слабо взаимодействущих массивных частиц, они активно взаимодействуют сами с собой, но слабо — с обычной материей. Такое само взаимодействие может объяснить определенные распределения темной материи в карликовых галактиках.

Исследования в области физики высоких энергий, такие как эксперименты на Большом адронном коллайдере, также вносят свой вклад в поиск, пытаясь получить частицы темной материи напрямую.

Хотя убедительных доказательств пока не появилось, эти эксперименты накладывают жесткие ограничения на возможные теории. «Отсутствие новых частиц на БАКе говорит нам о том, что если темная материя и взаимодействует с обычной материей, то очень слабо или при энергиях, недоступных нам в настоящее время», — поясняет доктор Мария Спиропулу из Калифорнийского технологического института.