А что, если у темной материи два состояния? Как новая гипотеза объясняет гамма-аномалию Млечного Пути

Астрофизические наблюдения показывают, что эта темная материя составляет около 85% всей материи во Вселенной. Она не излучает свет, не отражает его и не участвует в электромагнитном взаимодействии, проявляя себя исключительно через гравитационное воздействие на обычную материю — звезды, скопления газа и целые галактики.

Поскольку мы не можем увидеть темную материю напрямую, физики используют методы косвенного обнаружения. Основная гипотеза гласит, что частицы темной материи, сталкиваясь друг с другом, могут уничтожаться, порождая поток обычных частиц и жесткого электромагнитного излучения — гамма-квантов. Именно эти вспышки гамма-излучения пытаются зафиксировать космические обсерватории.

Около десяти лет назад космический гамма-телескоп «Ферми» обнаружил интересный сигнал: из центра нашей Галактики, Млечного Пути, исходит постоянный избыток гамма-излучения. Характеристики этого сигнала — его спектр, интенсивность и равномерное сферическое распределение вокруг галактического центра — довольно точно совпали с теоретическими предсказаниями того, как должна выглядеть аннигиляция темной материи.

Но есть одна серьезная проблема, которая поставила эту гипотезу под сомнение. Проблема заключается в так называемых карликовых сфероидальных галактиках.

Парадокс карликовых галактик

Карликовые галактики — это небольшие звездные системы, которые вращаются вокруг Млечного Пути как спутники. Для астрофизиков они представляют огромную ценность по двум причинам. Во-первых, они почти целиком состоят из темной материи. Доля обычной, видимой материи в них ничтожно мала. Во-вторых, в них практически нет процессов, способных генерировать фоновое гамма-излучение. Там нет активных пульсаров, остатков сверхновых или плотных облаков межзвездного газа.

С точки зрения науки, карликовые галактики — это идеальные, акустически чистые лаборатории для поиска темной материи. Логика исследователей была абсолютно прямой: если гамма-излучение в центре Млечного Пути действительно порождается темной материей, то аналогичный, пусть и менее интенсивный сигнал должен исходить и от карликовых галактик.

Но многолетние наблюдения показали другое. Карликовые галактики оказались абсолютно пустыми в гамма-диапазоне. Телескопы не зафиксировали там никаких следов аннигиляции. Это расхождение привело к тому, что многие физики отказались от идеи связи темной материи с сигналом из центра Галактики, предположив, что излучение там создается тысячами тусклых, ранее неизвестных нейтронных звезд (пульсаров).

Однако группа физиков-теоретиков из Национальной ускорительной лаборатории имени Энрико Ферми (Fermilab) и Чикагского университета опубликовала исследование, которое все же предлагает физическое решение этого парадокса. Они разработали модель, в которой темная материя физически не способна излучать энергию в небольших галактиках, но при этом активно аннигилирует в крупных.

Два состояния темной материи

В основе большинства классических теорий лежит простое допущение: вероятность аннигиляции частиц темной материи является постоянной величиной. Если две частицы встречаются в пространстве, они уничтожают друг друга с выделением энергии, и этот процесс не зависит от того, где именно они находятся.

Новое исследование предлагает отказаться от этого упрощения. Авторы предполагают, что темная материя имеет более сложную внутреннюю структуру и состоит из двух различных состояний, или фракций. Первое состояние — базовое (обозначается как χ1). Второе состояние — возбужденное (обозначается как χ2​).

Главное отличие между ними заключается в массе. Частица χ2​ немного тяжелее базовой частицы χ1​. Разница в их массах крайне мала, но именно она определяет всю дальнейшую физику процесса.

Главное правило предложенной модели состоит в том, что прямое столкновение двух частиц базового состояния (χ1​) никогда не приводит к аннигиляции и выбросу гамма-квантов. Излучение возможно только в одном случае: если происходит процесс коаннигиляции, то есть встреча легкой базовой частицы (χ1​) и тяжелой возбужденной частицы (χ2). Только их совместное уничтожение порождает сигнал, который может уловить телескоп.

Здесь возникает вопрос космологической эволюции. В самые ранние эпохи после Большого взрыва Вселенная была невероятно плотной и горячей. В тот период темная материя существовала в обоих состояниях: тяжелые и легкие частицы постоянно сталкивались, превращаясь друг в друга. Но по мере расширения и остывания Вселенной средняя энергия частиц падала. В какой-то момент тяжелые частицы полностью распались или перешли в легкое состояние.

Сегодня, миллиарды лет спустя, космическое пространство заполнено исключительно базовыми, легкими частицами. Чтобы процесс коаннигиляции начался снова и телескопы зафиксировали гамма-излучение, тяжелые частицы необходимо синтезировать заново.

Кинематический барьер и распределение скоростей

Чтобы перевести легкую частицу в тяжелое состояние, требуется затратить энергию. В пустом космическом пространстве единственным источником такой энергии является кинетическая энергия движения самих частиц.

Когда две легкие частицы сталкиваются, они могут передать часть энергии своего движения на увеличение собственной массы. Но закон сохранения энергии накладывает здесь строгий запрет: чтобы появилась хотя бы одна тяжелая частица, суммарная скорость сталкивающихся базовых частиц должна быть достаточно высокой. Если скорость ниже определенного порога, кинетической энергии просто не хватит для компенсации разницы в массах. Частицы просто оттолкнутся друг от друга без каких-либо изменений.

Именно этот кинематический барьер объясняет, почему данные наблюдений из разных участков космоса так сильно отличаются.

Центр Млечного Пути представляет собой область с колоссальной гравитацией. Огромная концентрация массы приводит к тому, что частицы темной материи разгоняются там до очень высоких скоростей. В этой среде происходит множество высокоэнергетических столкновений. Кинетической энергии движущихся частиц хватает для того, чтобы преодолеть порог массы и постоянно генерировать новую популяцию тяжелых частиц. Как только они появляются, они немедленно взаимодействуют с легкими частицами, происходит коаннигиляция, и выделяется гамма-излучение. Телескоп «Ферми» фиксирует этот процесс как галактический гамма-избыток.

Ситуация в карликовых сфероидальных галактиках совсем другая. Из-за небольшого размера и массы их гравитационный потенциал очень слабый. Темная материя в их гало движется на скоростях, которые на несколько порядков ниже, чем в центре Млечного Пути.

Когда частицы базового состояния сталкиваются внутри карликовой галактики, им не хватает скорости. Энергия их столкновения слишком мала, чтобы преодолеть разницу в массах и породить частицу χ2. В результате популяция тяжелых частиц в карликовых галактиках равна нулю. А поскольку для создания гамма-излучения необходимо присутствие обеих фракций, процесс коаннигиляции там физически заблокирован. Карликовая галактика остается абсолютно темной для земных приборов.

Значение для современной астрофизики

На протяжении многих лет карликовые галактики использовались научным сообществом как универсальный ограничитель. Если теоретики предлагали новую модель свойств темной материи, ее первым делом проверяли на данных от карликовых спутников. Отсутствие там сигнала раз за разом приводило к тому, что перспективные гипотезы признавались ошибочными и отправлялись в архив.

Работа физиков из Фермилаба доказывает, что подобная практика может быть неверной. Экстраполяция ожидаемых результатов от сверхмассивных галактических структур к малым системам не работает, если взаимодействие частиц подчиняется строгим кинематическим законам. Свойства темной материи могут напрямую зависеть от среды ее обитания: она способна активно взаимодействовать в высокоскоростных гравитационных колодцах массивных галактик и оставаться полностью инертной в спокойных, холодных гало карликовых систем.

Это означает, что гипотеза о связи гамма-избытка в центре Млечного Пути с темной материей снова становится актуальной. Наблюдаемый феномен органично вписывается в физическую модель, учитывающую внутреннюю структуру неизвестной субстанции. В будущем астрофизикам при проектировании новых телескопов и планировании наблюдений придется учитывать кроме предполагаемой плотности темной материи в выбранном участке неба, еще и детальную физику скоростей в конкретных гравитационных системах.

Источник:arXiv