Темная материя — это призрачное вещество, которое астрономы не могли обнаружить на протяжении десятилетий, но которое, как мы знаем, оказывает огромное влияние на обычную материю во Вселенной, такую как звезды и галактики. Благодаря мощному гравитационному притяжению, которое оно оказывает на галактики, оно раскручивает их, дает им дополнительный толчок по орбитам или даже разрывает их на части.
Подобно космическому карнавальному зеркалу, оно также преломляет свет от удаленных объектов, создавая искаженные или множественные изображения. Этот процесс называется гравитационным линзированием.
И недавние исследования показывают, что это может создать еще большую драму, порождая взрывающиеся звезды.
Несмотря на весь хаос, который она наносит галактикам, мало что известно о том, может ли темная материя взаимодействовать сама с собой иначе, как посредством гравитации. Если на него действуют другие силы, то они должны быть очень слабыми, иначе их можно было бы измерить.
Возможный кандидат на роль частицы темной материи, состоящий из гипотетического класса слабо взаимодействующих массивных частиц (или вимпов), интенсивно изучался, но до сих пор не было никаких наблюдательных доказательств.
В последнее время в центре внимания оказались другие типы частиц, также слабо взаимодействующие, но чрезвычайно легкие. Эти частицы, называемые аксионами, были впервые предложены в конце 1970-х годов для решения квантовой проблемы, но они также могут подойти для темной материи.
В отличие от вимпов, которые не могут «склеиваться» вместе, образуя небольшие объекты, аксионы могут это делать. Поскольку они такие легкие, огромное количество аксионов должно было бы отвечать за всю темную материю, а это значит, что их пришлось бы сбивать вместе. Но поскольку они представляют собой разновидность субатомных частиц, известных как бозоны, они не возражают.
Фактически, расчеты показывают, что аксионы могут быть упакованы настолько плотно, что начинают вести себя странно — коллективно действуя как волна — в соответствии с правилами квантовой механики, теории, которая управляет микромиром атомов и частиц. Это состояние называется конденсатом Бозе-Эйнштейна, и оно может неожиданно позволить аксионам образовывать собственные «звезды».
Это произойдет, когда волна движется сама по себе, образуя то, что физики называют «солитоном», который представляет собой локализованный комок энергии, который может двигаться, не искажаясь и не рассеиваясь. На Земле это часто можно увидеть в виде вихрей и водоворотов или пузырьковых колец, которыми дельфины наслаждаются под водой.
В новом исследовании представлены расчеты, которые показывают, что такие солитоны в конечном итоге вырастут в размерах и станут звездой, похожей по размеру на нормальную звезду или превышающей ее. Но в конце концов они становятся нестабильными и взрываются.
Энергия, высвободившаяся в результате одного такого взрыва (получившего название «бозеновая»), могла бы соперничать с энергией сверхновой (взрывающейся обычной звезды). Учитывая, что темная материя намного превосходит видимую материю во Вселенной, это наверняка оставит след в наших наблюдениях за небом. Нам еще предстоит найти такие шрамы, но новое исследование дает нам повод для поиска.
Впечатление художника от телескопа СКА. Фото: Википедия, CC BY-SA.
Наблюдательный тест
Исследователи, стоящие за исследованием, говорят, что окружающий газ, состоящий из обычного вещества, поглотит эту дополнительную энергию взрыва и отдаст часть ее обратно. Поскольку большая часть этого газа состоит из водорода, мы знаем, что этот свет должен излучать радиочастоты.
Интересно, что будущие наблюдения с помощью радиотелескопа Square Kilometer Array, возможно, смогут его обнаружить.
Таким образом, хотя фейерверки взрывов темных звезд могут быть скрыты от нашего взгляда, мы, возможно, сможем обнаружить их последствия в видимой материи. Самое замечательное в этом то, что такое открытие поможет нам выяснить, из чего на самом деле состоит темная материя — в данном случае, скорее всего, из аксионов.
Что, если наблюдения не обнаружат предсказанный сигнал? Это, вероятно, не исключает полностью эту теорию, поскольку другие «аксионоподобные» частицы все еще возможны. Однако неудача обнаружения может указывать на то, что массы этих частиц сильно различаются или что они не так сильно взаимодействуют с излучением, как мы думали.
На самом деле, это уже случалось раньше. Первоначально считалось, что аксионы будут связываться настолько сильно, что смогут охлаждать газ внутри звезд. Но поскольку модели охлаждения звезд показали, что без этого механизма звезды прекрасно себя чувствуют, сила связи аксионов должна была быть ниже, чем предполагалось изначально.
Конечно, нет никакой гарантии, что темная материя состоит из аксионов. WIMP по-прежнему являются участниками этой гонки, но есть и другие.
Кстати, некоторые исследования предполагают, что темная материя, подобная WIMP, также может образовывать «темные звезды». В этом случае звезды все равно были бы нормальными (состоящими из водорода и гелия), а темная материя просто питала бы их.
По прогнозам, эти темные звезды, работающие на энергии WIMP, будут сверхмассивными и будут жить в ранней Вселенной лишь короткое время. Но их можно было наблюдать с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба. Недавнее исследование заявило о трех таких открытиях, хотя до сих пор неизвестно, действительно ли это так.
Тем не менее, интерес к аксионам растет, и существует множество планов по их обнаружению. Например, ожидается, что аксионы преобразуются в фотоны, когда они проходят через магнитное поле, поэтому наблюдения фотонов с определенной энергией нацелены на звезды с магнитными полями, такие как нейтронные звезды или даже Солнце.
На теоретическом фронте предпринимаются попытки уточнить предсказания того, как будет выглядеть Вселенная с различными типами темной материи. Например, аксионы можно отличить от вимпов по тому, как они преломляют свет посредством гравитационного линзирования.
Мы надеемся, что благодаря лучшим наблюдениям и теории тайна темной материи скоро будет раскрыта.
Информация от: Разговором
Эта статья переиздана из The Conversation под лицензией Creative Commons. Прочтите оригинал статьи.
