Светлые (нет) частицы темной материи вблизи центра Галактики могут объяснить сразу три загадки физики

Это может стать своего рода швейцарским ножом физики элементарных частиц, решая три проблемы, включая одну из самых важных, которые долгое время озадачивали физиков.

Астрономы наблюдали два странных явления вблизи центра нашей галактики, где существующие объяснения сталкиваются с трудностями. Новая статья показывает, как гипотетическая частица может быть основной причиной обоих явлений и даже помочь в поисках темной материи. Если авторы правы, проблема заключалась в том, что мы искали слишком легкую темную материю.

“В центре нашей галактики находятся огромные облака положительно заряженного водорода, что десятилетиями оставалось загадкой для ученых, поскольку обычно газ должен оставаться нейтральным. Так что же обеспечивает достаточно энергии, чтобы выбивать из них отрицательно заряженные электроны?” – задается доктор Шьям Баладжи из Королевского колледжа Лондона.

Изначально физики объясняли ионизацию космическими лучами, но измерения показали, что их недостаточно для такого эффекта. Баладжи и его коллеги решили поискать альтернативу. Они также обратили внимание на частые всплески гамма-излучения с энергией 511 электрон-вольт (эВ), исходящего из галактического балджа. Это излучение возникает при аннигиляции электрон-позитронных пар, когда масса обеих частиц превращается в энергию. Но откуда берутся эти пары?

Баладжи и соавторы отметили, что электрон-позитронные пары могут ионизировать водород, поэтому подходящий источник электронных и позитронных пар мог бы объяснить оба наблюдения. Столкновения между определенными субатомными частицами могут производить пары материя/антиматерия, поэтому одно из возможных объяснений заключается в том, что частицы сталкиваются друг с другом в переполненных внутренних областях галактики и производят электрон-позитронные пары. Некоторые из них ионизируют водород, в то время как другие (или, возможно, те же самые частицы, но позже) сталкиваются друг с другом, создавая свет с энергией 511 эВ при их аннигиляции.

Авторы считают, что все известные частицы можно исключить из числа “подозреваемых”. Если же виновники этих процессов обладают массой, то они могут составлять часть – или даже всю – темную материю, за которой ученые охотятся десятилетиями.

Конечно, было бы здорово найти одно решение сразу для трёх проблем, но команде нужно было доказать правдоподобность своей идеи, чтобы привлечь внимание к поиску доказательств. Они изучили характеристики, которыми должна обладать частица, чтобы косвенно отвечать за образование нужного количества пар. Согласно недавно опубликованной статье, существует узкий диапазон характеристик, при которых частица могла бы справляться с обеими задачами. Ученые говорят, что эти частицы были бы своего рода light dark matter (можно прочитать как “светлая темная материя”), если они реальны.

Если вы задаетесь вопросом, как материя может быть одновременно светлой и темной, то да, физики открывали и более странные вещи, но в данном случае проблема в английском языке, а не в реальности. Темная материя получила свое название потому, что она не взаимодействует с электромагнитной силой и поэтому не производит света. Светлая темная материя, которой интересуются Баладжи и соавторы, была бы столь же темной, но состояла бы из частиц с низкой массой – “light” здесь противоположность “тяжелой”, а не “темной”. То есть – легкая темная материя.

Рассматриваемые частицы имели бы массу примерно в тысячу раз меньше, чем у ВИМПов (WIMP – слабо взаимодействующих массивных частиц) – одного из первых предложенных кандидатов на роль темной материи. Их должно было бы быть ужасно много, чтобы объяснить огромное количество темной материи, необходимое для понимания того, как вращаются и эволюционируют галактики.

Баладжи говорит, что это вполне возможно. “Эти частицы темной материи должны быть распространены по всей вселенной, как и другие кандидаты на роль темной материи. Однако их эффекты заметны только в регионах, где темная материя наиболее концентрирована, например, в центре Млечного Пути. Поскольку скорость аннигиляции зависит от квадрата плотности, частицы темной материи с гораздо большей вероятностью взаимодействуют в областях высокой плотности, делая центральную молекулярную зону (ЦМЗ) естественным местом для поиска их влияния.”

Такие легкие частицы также может быть труднее обнаружить существующими методами, чем давно известные кандидаты, такие как ВИМПы и аксионы, что объясняет постоянные неудачи в поиске темной материи.

Баладжи сообщил, что даже без обнаружения такой частицы на Земле и подтверждения ее свойств существует как минимум три способа проверить эту идею.

“Более подробные карты ионизации. Если скорость ионизации в ЦМЗ соответствует ожидаемому распределению темной материи, это усилит аргументацию,” – сказал он. Другой способ мог бы заключаться в поиске вторичных излучений. “Если эти частицы существуют, они также должны оставлять следы в виде слабых гамма-лучей или рентгеновских сигналов от вторичных процессов.”

Наконец, добавил Баладжи, “Будущие телескопы. Космический телескоп NASA COSI, запуск которого запланирован на 2027 год, будет чувствителен к астрофизическим процессам в масштабе МэВ, что может предоставить доказательства за или против этой гипотезы.”

Позитроны могут ионизировать водород, аннигилируя электрон, но в таких случаях избыток электронов мог бы восстановить нейтральность. Однако, как сообщил Баладжи, вероятный процесс более сложен. Пары несут много энергии при создании, достаточной для того, чтобы выбивать электроны из атомов при столкновениях, причем каждая пара ионизирует несколько атомов водорода, прежде чем потеряет достаточно энергии, чтобы остановиться. “Это как малыш, который трясет столы и сбрасывает предметы сверху, а не как бомба, которая всё уничтожает”.

Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.