Темная материя, неуловимая субстанция, которая долгие годы озадачивала астрономов, играет важную роль в формировании Вселенной, какой мы ее знаем. Несмотря на свою неуловимую природу, гравитационное влияние темной материи на небесные тела, такие как звезды и галактики, неоспоримо. Она ускоряет их движение, изменяет их траектории и даже может привести к их распаду.
Подобно гигантскому космическому кривому зеркалу, она изгибает свет от далеких объектов, создавая искаженные или множественные изображения – этот процесс называется гравитационным линзированием.
Недавние исследования показывают, что влияние темной материи может распространяться еще дальше, потенциально приводя к взрыву звезд.
При всем том хаосе, который она творит с галактиками, мало что известно о том, может ли темная материя взаимодействовать сама с собой, кроме как через гравитацию. Если она испытывает другие силы, то они должны быть очень слабыми, иначе мы бы их обнаружили.
Возможный кандидат на роль частицы темной материи, состоящий из гипотетического класса слабо взаимодействующих массивных частиц (WIMPs или вимпы), интенсивно изучается, но пока не имеет никаких наблюдательных доказательств.
Недавно 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 подходить для темной материи.
В отличие от вимпов, которые не могут “слипаться” вместе, образуя небольшие объекты, аксионы могут это делать. Поскольку они очень легкие, на все темное вещество должно приходиться огромное количество аксионов, а это значит, что они должны плотно расположены. А раз они относятся к типу субатомных частиц, известных как бозоны, им это не мешает.
Фактически, расчеты показывают, что аксионы могут быть упакованы так плотно, что начнут вести себя странно – коллективно действовать как волна – согласно правилам квантовой механики, теории, управляющей микромиром атомов и частиц. Это состояние называется конденсатом Бозе-Эйнштейна, и неожиданно оно может позволить аксионам формировать собственные “звезды”.
Это произойдет, когда волна будет двигаться сама по себе, образуя то, что физики называют “солитоном” – локализованный сгусток энергии, который может двигаться без искажения или рассеивания. На Земле нечто подобное можно наблюдать в виде вихрей, водоворотов или колец пузырьков, которые так любят дельфины под водой.
В новом исследовании приводятся расчеты, показывающие, что такие космические солитоны будут расти в размерах, становясь звездой, сопоставимой по размеру или даже большей, чем обычная звезда. Но в конце концов они станут нестабильными и взорвутся.
Энергия, высвобождаемая при таком взрыве (получившем название “бозенова”), будет соперничать с энергией сверхновой (взрыва обычной звезды). Учитывая, что темная материя значительно превосходит по массе видимую материю во Вселенной, это обязательно должно оставить след в наших наблюдениях неба. Мы еще не обнаружили таких следов, но новое исследование указывает нам, что искать.
Наблюдательный тест
Ученые, проводившие исследования, говорят, что окружающий газ, состоящий из обычного вещества, поглотит эту дополнительную энергию взрыва и отдаст часть ее обратно. Поскольку большая часть газа состоит из водорода, мы знаем, что этот свет должен излучать радиочастоты.
Захватывающе, но будущие наблюдения с помощью радиотелескопа Square Kilometer Array, возможно, смогут его уловить.
Таким образом, хотя фейерверки от взрывов темных звезд могут быть скрыты от нашего взора, мы 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.
А если наблюдения не обнаружат предсказанный сигнал? Это, вероятно, не исключает теорию полностью, поскольку другие “аксионоподобные” частицы все еще возможны. Однако неудача в обнаружении может свидетельствовать о том, что массы этих частиц сильно отличаются или что они не так сильно взаимодействуют с излучением, как мы думали.
На самом деле, такое уже случалось. Первоначально считалось, что аксионы будут настолько сильно взаимодействовать с излучением, что смогут охлаждать газ внутри звезд. Но поскольку модели охлаждения звезд показали, что звезды прекрасно обходятся без этого механизма, сила связи аксионов должна быть меньше, чем предполагалось изначально.
Конечно, нет никакой гарантии, что темная материя состоит из аксионов. В этой гонке по-прежнему участвуют вимпы, но есть и другие.
Кстати, некоторые исследования предполагают, что темная материя, подобная вимпам, может также образовывать “темные звезды”. В этом случае звезды будут обычными (из водорода и гелия), а темная материя будет лишь питать их.
Предполагается, что эти темные звезды, питаемые вимпами, были сверхмассивными и прожили в ранней Вселенной лишь короткое время. Но они могут быть замечены космическим телескопом Джеймса Уэбба. В одном из недавних исследований заявлено о трех таких открытиях, хотя пока неясно, так ли это на самом деле.
В любом случае, ажиотаж вокруг аксионов растет, и существует множество планов по их обнаружению. Например, предполагается, что аксионы превращаются в фотоны, когда проходят через магнитное поле, поэтому наблюдения за фотонами с определенной энергией сосредоточены на звездах с магнитным полем, таких как нейтронные звезды или даже Солнце.
На теоретическом фронте ведутся работы по уточнению прогнозов того, как будет выглядеть Вселенная с различными типами темной материи. Например, аксионы можно отличить от вимпов по тому, как они изгибают свет при гравитационном линзировании.
С улучшением наблюдений и теории мы надеемся, что тайна темной материи скоро будет раскрыта.
Читайте также: Темная энергия – одна из самых больших загадок в науке, и теперь мы стали на шаг ближе к ее пониманию