На чому тримається Всесвіт. Сенсаційна теорія британських фізиків пояснює, де ховається темна матерія

Що з’ясували вчені

Група британських фізиків на чолі з Александром Геттелем із Кардіффського університету вивчала дані третього циклу спостережень Лазерної інтерферометричної гравітаційної обсерваторії (LIGO).

Результати їхнього дослідження опубліковано на початку цього місяця в журналі Physical Review Letters.

«Деякі теорії припускають, що темна матерія поводиться швидше як хвиля, ніж як частинка, — пояснює Геттель. — Ці хвилі викликатимуть крихітні коливання у звичайній матерії, які можуть бути виявлені детекторами гравітаційних хвиль».

Детектори гравітаційних хвиль, як-от LIGO, використовують інтерферометрію, щоб відчути пульсації простору-часу, спричинені рухом і взаємодією масивних об'єктів, таких як чорні діри і нейтронні зірки.

По суті, LIGO вимірює відстань, пройдену підземними лазерами. Коли гравітаційні хвилі стискають або розтягують простір, вчені бачать за даними, що лазери пройшли трохи більшу або меншу відстань, ніж раніше. Це і є свідчення руху гравітаційної хвилі.

Геттель і його колеги вивчали надлегкі бозони, які є однією з гіпотетичних форм темної матерії (інші форми включають аксіони і темні фотони).

Унікальною особливістю темної матерії, яку досліджувала команда, є її слабка взаємодія з речовиною і світлом. Але хмароподібні утворення, які вона формує, дозволяють їй проявитися в даних детектора гравітаційних хвиль.

«На атомному рівні можна уявити поле темної матерії як таке, що коливається разом з електромагнітним полем, — пояснює Геттель. — Коливання поля темної матерії ефективно змінюють фундаментальні константи, тобто постійну тонкої структури і масу електрона, які керують електромагнітною взаємодією».

Іншими словами, дослідники позначили нові обмеження того, як темна матерія може взаємодіяти з детектором LIGO, що підвищує надії на ефективність майбутніх досліджень.

Так, нові вимірювання команди поліпшили результати попередніх робіт у 10 000 разів у конкретному діапазоні частот, який вони тестували.

Темна матерія ховається в тих самих даних, які дозволять нам спостерігати за гравітаційними хвилями. Підвищуючи точність наших спостережень у цій царині, ми рано чи пізно «заженемо темну матерію в кут», і зможемо отримати прямі докази її існування, вважають фізики.

Теорії про темну матерію

Пошуки темної матерії давно є одним із найважливіших завдань сучасної науки.

«Темна матерія — це будівельні риштування, на яких тримається Всесвіт, — пояснює Кетрін Фріз, фізик-теоретик із Техаського університету в Остіні. — Без неї ми не зможемо пояснити структуру та еволюцію галактик».

Одна з найвідоміших теорій припускає, що темна матерія складається зі слабо взаємодіючих масивних частинок. Ці гіпотетичні частинки взаємодіють через гравітацію і слабкі ядерні сили, але не через електромагнітне випромінювання, що робить їх невидимими для телескопів.

Такі експерименти, як Large Underground Xenon і його наступник, LUX-ZEPLIN, спрямовані на виявлення цих частинок шляхом спостереження рідкісних взаємодій з ядрами ксенону глибоко під землею, захищеними від космічних променів.

«Хоча нам ще належить виявити такі частинки безпосередньо, кожен експеримент допомагає нам звузити коло властивостей, якими можуть володіти ці частинки, — зазначає Ден Акеріб зі Стенфордського університету.

Ще один цікавий кандидат на роль носія темної матерії - аксіон, легка нейтральна частинка, від самого початку запропонована для вирішення проблеми сильної взаємодії у квантовій хромодинаміці. Експеримент Axion Dark Matter Experiment в Університеті Вашингтона перебуває в авангарді цих пошуків. Використовуючи потужне магнітне поле і надчутливі мікрохвильові детектори, ADMX прагне перетворити аксіони на фотони, які можна виявити.

Але є і більш сміливі припущення. Так, деякі теорії виходять за рамки Стандартної моделі фізики частинок. Наприклад, теорія про стерильні нейтрино. Так називають гіпотетичні частинки, які взаємодіють тільки за допомогою гравітації. Вони можуть пояснити деякі астрофізичні спостереження, наприклад, надлишок рентгенівського випромінювання від скупчень галактик.

Дослідники за допомогою Рентгенівської обсерваторії Чандра вивчили ці аномалії. Доктор Есра Булбул із Гарвард-Смітсонівського центру астрофізики зазначає: «Дані натякають на щось незвичайне — можливий слід стерильних нейтрино, — але потрібні додаткові докази».

Також були запропоновані альтернативи темної матерії з частинок. Модифікована ньютонівська динаміка (MOND) припускає, що наше розуміння гравітації може бути неповним. Замість того щоб посилатися на невидиму матерію, MOND припускає, що закони Ньютона потребують коригування в галактичних масштабах.

Останнім часом деякі фізики розглядають ідею про те, що темна матерія утворює надплинний стан у космічних масштабах.

Ця теорія намагається подолати розрив між темною матерією частинок і модифікованою гравітацією, припускаючи, що темна матерія проявляє різні властивості на різних масштабах. Професор Джастін Хоурі з Пенсільванського університету, прихильник цієї моделі, каже: «Надплинна темна матерія може відтворити успіхи MOND у галактиках, зберігаючи при цьому переваги темної матерії частинок у більших структурах».

Можливість використання «первісних чорних дір» як кандидатів на темну матерію також спливла на поверхню, особливо після виявлення гравітаційних хвиль за допомогою проекту LIGO. Ці чорні діри могли утворитися в ранньому Всесвіті і можуть становити принаймні частину темної матерії. Доктор Симеон Берд із Каліфорнійського університету в Ріверсайді зазначає: «Хоча первісні чорні діри — це інтригуюча ідея, сучасні спостереження накладають суворі обмеження на їхню кількість у Всесвіті».

Не можна не згадати ще про теорію сильно взаємодіючих масивних частинок. На відміну від слабо взаємодіючих масивних частинок, вони активно взаємодіють самі з собою, але слабо — зі звичайною матерією. Така сама взаємодія може пояснити певні розподіли темної матерії в карликових галактиках.

Дослідження в галузі фізики високих енергій, як-от експерименти на Великому адронному колайдері, також роблять свій внесок у пошук, намагаючись отримати частинки темної матерії безпосередньо.

Хоча переконливих доказів поки що не з’явилося, ці експерименти накладають жорсткі обмеження на можливі теорії. «Відсутність нових частинок на БАКу говорить нам про те, що якщо темна матерія і взаємодіє зі звичайною матерією, то дуже слабко або за енергій, недоступних нам на даний час», — пояснює доктор Марія Спіропулу з Каліфорнійського технологічного інституту.