Странные явления, наблюдаемые в самом центре Млечного Пути, могут быть доказательством существования одного из кандидатов на тёмную материю. Если это так, то учёные, возможно, не заметили тонкого влияния тёмной материи, самого загадочного «вещества» Вселенной, на космические процессы.
Этот новый кандидат в тёмную материю не только легче уже имеющихся кандидатов, но и склонён к самоуничтожению. Это означает, что когда две частицы тёмной материи встречаются, они уничтожают друг друга и создают отрицательно заряженный электрон и его положительно заряженный эквивалент, позитрон.
Этот процесс и поток электронов и позитронов обеспечит энергию, необходимую для отрыва электронов от нейтральных атомов — процесс, называемый ионизацией, — в плотном газе в центре Млечного Пути. Это может объяснить, почему в центральной области, называемой Центральной молекулярной зоной (ЦМЗ), так много ионизированного газа.
Даже если аннигиляция тёмной материи происходит редко, логично предположить, что она будет происходить чаще в центре галактик, где, как считается, она скапливается.
«Мы предполагаем, что тёмная материя легче протона может отвечать за необычный эффект, наблюдаемый в центре Млечного Пути», — рассказал руководитель группы и постдокторский научный сотрудник Королевского колледжа Лондона Шьям Баладжи. «В отличие от большинства кандидатов в тёмную материю, которые часто изучаются через их гравитационные эффекты, эта форма тёмной материи может проявлять себя путём ионизации газа, по сути, отнимая электроны у атомов в ЦМЗ».
«Это произойдёт, если частицы тёмной материи аннигилируют в электронно-позитронные пары, которые затем взаимодействуют с окружающим газом».
Химия тёмной материи
Считается, что тёмная материя составляет около 85 % всего «барахла» в космосе, но, несмотря на её повсеместное распространение, учёные не могут «увидеть» её, как это происходит с большим количеством обычной материи. Все потому, что тёмная материя не взаимодействует со светом, а если и взаимодействует, то слишком слабо и редко, чтобы её можно было наблюдать.
Это говорит о том, что тёмная материя не может состоять из барионных частиц — электронов, протонов и нейтронов, из которых состоят атомы, формирующие звёзды, планеты, луны и все то, что мы видим вокруг себя каждый день.
Единственная причина, по которой учёные предполагают, что тёмная материя вообще существует, заключается в том, что она взаимодействует с гравитацией, и это воздействие влияет на свет и «обычную» материю.
Это побудило учёных выйти за рамки так называемой «стандартной модели физики частиц» в поисках частиц, которые могли бы объяснить существование тёмной материи.
Эти частицы различаются по массе, выраженной в электронвольтах (эВ), и по характеристикам. Предполагается, что некоторые из них, как и эта новая подозреваемая, могут самоликвидироваться.
В настоящее время «главными подозреваемыми» в отношении тёмной материи являются аксионы и аксионоподобные частицы, которые имеют широкий диапазон масс. Однако Баладжи и его коллеги в основном исключили аксионы и аксионоподобные частицы в качестве виновников тёмной материи, связанной с ионизацией газа в ЦМЗ.
«Большинство моделей аксионов не предсказывают значительной аннигиляции в электрон-позитронные пары так, как это делает предлагаемая нами тёмная материя», — говорит Баладжи. «Предлагаемый нами объект тёмной материи имеет массу суб-ГэВ (одна миллиардная эВ) и самоаннигилирует на электроны и позитроны».
«Это отличает её от других, поскольку она напрямую влияет на межзвёздную среду, создавая сигнатуру в виде дополнительной ионизации, чего обычно не ожидают от аксионов».
Тёмная материя: главный враг самой себе
Появившиеся в плотно упакованной ЦМЗ позитроны не могут далеко улететь или скрыться, прежде чем они вступят во взаимодействие с близлежащими молекулами водорода, отнимая у них электроны. Это делает данный процесс особенно эффективным в этой центральной области.
«Самая большая проблема, которую помогает решить эта модель, — избыток ионизации в ЦМЗ», — говорит Баладжи. «Космические лучи, обычно виновные в ионизации газа, не кажутся достаточно сильными, чтобы объяснить высокий уровень ионизации, который мы наблюдаем».
Космические лучи — это заряженные частицы, которые движутся со скоростью, близкой к скорости света, но, по мнению этой команды, сигнал ионизации из ЦМЗ, похоже, указывает на более медленный источник, который легче многих других кандидатов на тёмную материю.
Кроме того, если космические лучи ионизируют газ в ЦМЗ, то должно наблюдаться сопутствующее излучение гамма-лучей, которые являются очень высокоэнергетическими частицами света. Однако это излучение отсутствует в исследованиях ЦМЗ.
«Если за ионизацию ЦМЗ отвечает тёмная материя, это означает, что мы обнаруживаем тёмную материю, не видя её, а наблюдая за её тонким химическим воздействием на газ в нашей галактике», — говорит Баладжи.
Однако существует необъяснимое слабое гамма-свечение, исходящее из галактического центра, которое также может быть связано с позитронами и ионизацией.
«Если мы найдём прямую связь между ионизацией и этим гамма-излучением, это может укрепить аргументы в пользу тёмной материи», — говорит Баладжи. «Между этими двумя сигналами есть некоторая корреляция, но на данном этапе нам нужно больше данных, чтобы утверждать что-то более весомое».
Кроме того, эта модель аннигиляции тёмной материи может также объяснить характерное световое излучение из ЦМЗ, возникающее из-за того, что положительно заряженные позитроны и отрицательно заряженные электроны сталкиваются друг с другом и объединяются в атомы позитрония, которые затем быстро превращаются в рентгеновские лучи — свет с немного меньшей энергией, чем гамма-лучи.
«Расчёты сходятся гораздо лучше, чем мы ожидали. Часто объяснения тёмной материи сталкиваются с проблемами, потому что они предсказывают наличие сигналов, которые мы уже должны были заметить в наши телескопы», — говорит Баладжи. «Но в данном случае скорость ионизации, создаваемая суб-ГэВ тёмной материей, прекрасно вписывается в известные ограничения, не противореча существующим наблюдениям гамма-излучения и реликтового излучения (РИ)».
Исследователь добавил, что предварительное совпадение с рентгеновским излучением также очень интригует.
«Это редкая и захватывающая ситуация в исследованиях тёмной материи», — добавил Баладжи.
Пока что это только кандидат
Конечно, изучение этого нового кандидата в тёмную материю находится в самом начале пути; у него даже ещё нет какого-нибудь броского названия, типа WIMP (Weakly Interacting Massive Particle) или MACHO (MAssive Compact Halo Object)!
Для сравнения: аксионы известны с тех пор, как их существование впервые предположили физики-теоретики Фрэнк Вильчек и Стивен Вайнберг в 1978 году.
Это означает, что предстоит провести ещё много теоретических построений, прежде чем этот кандидат займёт своё место среди аксионов, WIMPs, MACHOs, первобытных чёрных дыр и других в ряду кандидатов на роль тёмной материи.
«Нам нужны более точные измерения ионизации в ЦМЗ; если мы сможем составить более точную карту ионизации, мы сможем увидеть, соответствует ли она ожидаемому распределению тёмной материи», — говорит Баладжи. «Если мы исключим другие потенциальные источники ионизации, гипотеза о тёмной материи станет более убедительной».
Дополнительные доказательства связи между аннигилирующей тёмной материей и странными выбросами из ЦМЗ может предоставить космический гамма-телескоп НАСА COSI (Compton Spectrometer and Imager), запуск которого намечен на 2027 год.
От COSI ожидаются более точные данные об астрофизических процессах в масштабах МэВ (1 миллион эВ), которые помогут подтвердить или исключить объяснение тёмной материи.
Как бы то ни было, это исследование позволило по-новому взглянуть на влияние тёмной материи.
«Тёмная материя остаётся одной из самых больших загадок в физике, и эта работа показывает, что мы, возможно, не замечали её тонкого химического воздействия на космос», — заключил Баладжи. «Если эта теория подтвердится, она может дать нам совершенно новый способ изучения тёмной материи — не только через её гравитацию, но и через то, как она формирует саму ткань нашей галактики».
Исследование команды было опубликовано в понедельник (10 марта) в журнале Physical Review Letters.
Автор: SLY_G
