Темная материя может быть не частицами, а гигантскими невидимыми объектами: прогноз обнаружения телескопом Gaia

С одной стороны, существование темной материи подтверждено множеством независимых наблюдений — от скоростей вращения галактик до реликтового излучения. С другой стороны, десятилетия поисков гипотетических частиц, составляющих эту материю (вимпов), не дали результатов. Детекторы прямого обнаружения молчат, а коллайдеры не рождают новые формы материи. Это заставляет физиков пересматривать базовые предположения и обращаться к альтернативным гипотезам.

Одной из наиболее перспективных идей является существование макроскопической темной материи. Вместо множества микроскопических частиц Вселенная может быть населена массивными компактными объектами, которые не испускают света, но обладают мощной гравитацией. Новое теоретическое исследование, проведенное группой астрофизиков, предлагает способ обнаружить эти объекты с помощью данных космического телескопа Gaia. Речь идет о поиске так называемых экзотических астрофизических темных объектов — бозонных звезд и Q-шаров.

Физика экзотических объектов

Чтобы понять суть поиска, необходимо определить, чем именно искомые объекты отличаются от привычных астрономических тел.

Бозонные звезды представляют собой гипотетические астрономические объекты, состоящие из бозонов. В отличие от фермионов (протонов, нейтронов, электронов), из которых состоит обычная материя, бозоны могут находиться в одном и том же квантовом состоянии в неограниченном количестве. Это позволяет им образовывать макроскопические квантовые состояния. Бозонная звезда удерживается от гравитационного коллапса не давлением раскаленного газа, как Солнце, и не давлением вырожденного газа, как белые карлики или нейтронные звезды, а принципом неопределенности Гейзенберга или силами отталкивания между самими частицами.

Q-шары — это другой класс теоретических объектов, представляющих собой солитоны (устойчивые волновые пакеты) скалярного поля. Они могут возникать в ранней Вселенной в ходе фазовых переходов. Их стабильность обеспечивается сохранением определенного глобального заряда. В простейшей модели («тонкостенный» Q-шар) вещество внутри объекта распределено с практически идеальной равномерной плотностью, резко обрываясь на границе.

Главное отличие этих объектов от черных дыр заключается в том, что они не имеют сингулярности и горизонта событий. Они обладают конечным радиусом и внутренней структурой. Именно это различие в распределении массы внутри объекта становится ключом к их обнаружению.

Механика астрометрического микролинзирования

Традиционный метод поиска темных объектов — фотометрическое микролинзирование. Оно основано на эффекте гравитационной линзы: когда массивный объект проходит между наблюдателем и далекой звездой, он искривляет лучи света, временно увеличивая яркость фоновой звезды. Однако этот метод имеет большой недостаток: он работает только при очень точном выравнивании линзы и источника света, а вероятность такого события крайне мала.

Авторы новой работы предлагают использовать астрометрическое микролинзирование. Гравитация линзы не только изменяет яркость источника, но и смещает его видимое положение на небесной сфере. Центр света (центроид) изображения звезды сдвигается относительно ее истинной траектории.

Преимущество астрометрии заключается в дальнодействии. Астрометрический сигнал затухает с увеличением расстояния между линзой и звездой (прицельного параметра) гораздо медленнее, чем фотометрический. Это означает, что телескоп может заметить прохождение темного объекта, даже если тот проходит на значительном угловом расстоянии от фоновой звезды. Это увеличивает эффективное сечение захвата и позволяет исследовать гораздо больший объем галактического пространства.

Космический телескоп Gaia, обладающий высокой точностью позиционирования небесных тел (до уровня микросекунд дуги), является идеальным инструментом для такой задачи. Он способен фиксировать отклонения в движении звезд, вызванные пролетом невидимых массивных тел.

Сигнатура: разрыв траектории и каустики

Основным результатом исследования является доказательство того, что Gaia способна не просто обнаружить темный объект, но и отличить бозонную звезду от черной дыры или Q-шара. Это возможно благодаря анализу формы траектории смещения центроида.

Если линзой выступает точечная масса (например, первичная черная дыра), смещение центроида происходит плавно. По мере пролета линзы видимое положение фоновой звезды описывает на небе характерную эллиптическую петлю и возвращается на исходную позицию.

Однако протяженные объекты ведут себя иначе. Когда фоновая звезда оказывается в проекции внутри радиуса темного объекта (или близко к нему), вступают в силу эффекты конечного размера линзы. При определенных условиях возникают каустики — геометрические области в пространстве линзирования, где коэффициент увеличения изображения формально стремится к бесконечности.

Пересечение источником света линии каустики приводит к скачкообразному изменению количества наблюдаемых изображений (обычно появляются два дополнительных изображения). Поскольку телескоп Gaia не разрешает отдельные изображения, а видит лишь их совокупный свет, для него это выглядит как резкий скачок центроида. Видимая звезда внезапно прыгает в сторону.

Исследователи смоделировали этот процесс и выяснили:

1. Q-шары, моделируемые как сферы с однородной плотностью, порождают каустики только при радиусах меньше определенного критического значения. Скачок центроида при этом очень резкий.
2. Бозонные звезды имеют более плавное, спадающее к краям распределение плотности. Это приводит к тому, что каустики формируются при больших прицельных параметрах. Получается, вероятность зафиксировать скачок для бозонной звезды выше, чем для Q-шара аналогичной массы.

Эти уникальные паттерны движения — плавные петли, прерываемые резкими скачками и позволяют установить внутреннюю структуру невидимой линзы.

Прогноз наблюдений и ограничения

Используя данные каталога Gaia DR3, содержащего информацию о положении и движении более 1,5 миллиарда звезд, авторы работы рассчитали вероятность обнаружения таких событий.

При условии, что темная материя Галактики состоит из подобных объектов, Gaia за 10 лет наблюдений может зарегистрировать до 6000 событий астрометрического микролинзирования. Наибольшая чувствительность метода прогнозируется для объектов с массой от 1 до 10 масс Солнца и физическим радиусом до 10 астрономических единиц. Это именно тот диапазон параметров, который сложен для проверки другими методами.

Если Gaia не обнаружит предсказанных аномалий в движении звезд, это позволит наложить строжайшие ограничения на существование макроскопической темной материи.

Анализ показывает, что отсутствие сигнала ограничит долю бозонных звезд и Q-шаров в составе гало Млечного Пути величиной менее 0,1% (а в пике чувствительности — до 10^-3). Эти ограничения будут существенно строже тех, что были получены ранее в ходе фотометрических обзоров (таких как OGLE и EROS), поскольку астрометрия чувствительна к более рыхлым и протяженным объектам.

Значение для физики

Данная работа демонстрирует переход от поиска частиц к поиску астрофизических структур. Астрометрическое микролинзирование позволяет тестировать физические теории, выходящие за рамки Стандартной модели, используя всю Галактику.

Возможность различать модели темной материи (бозонные звезды против Q-шаров против черных дыр) исключительно по гравитационному следу открывает новую главу в наблюдательной астрономии. Телескоп Gaia, изначально созданный для составления трехмерной карты Млечного Пути, оказывается рабочим инструментом для проверки фундаментальной физики полей и частиц. Если в космосе существуют реликтовые сгустки скалярных полей, именно точные измерения положений звезд дадут первое доказательство их реальности.

Источник:arXiv