[Перевод] Прячется ли жизнь в тёмной материи?

Прямо у вас под носом может существовать невидимая цивилизация

Хотя мы знаем, что обычная материя отвечает всего за 1/20 энергии Вселенной и 1/6 энергии, переносимой материей (а всё остальное отходит на счёт тёмной энергии), мы считаем обычную материю очень важной составной частью. За исключением космологов, почти все люди концентрируются на обычной материи, хотя она, с энергетической точки зрения, не так уж и важна.

Обычная материя больше дорога нам, разумеется, потому, что мы из неё состоим – как и весь осязаемый мир, в котором мы живём. Но также мы интересуемся ею из-за богатого разнообразия её взаимодействий. Взаимодействия обычной материи включают электромагнитное, слабое и сильное – они помогают материи формировать сложные плотные системы. Не только звёзды, но и камни, океаны, растения и животные существуют благодаря негравитационным силам природы, ответственным за взаимодействия. Так же, как на гуляку больше влияет алкоголь, чем остальные составляющие пива, так и обычная материя, хотя и переносящая малую часть энергетической плотности, влияет на себя и окружение гораздо заметнее, чем нечто, просто пролетающее мимо.

Знакомую нам видимую материю можно рассматривать как привилегированный процент – точнее, 15% — материи. В бизнесе и политике 1% людей влияет на решения и правила, а оставшиеся 99% популяции обеспечивают инфраструктуру и поддержку – обслуживают здания, поддерживают работоспособность городов, доставляют еду. Так же и обычная материя влияет почти на всё, что мы отмечаем, а тёмная материя, в её изобилии и повсеместности, помогает создавать скопления и галактики, обеспечивает формирование звёзд, но мало влияет на наше непосредственное окружение.

Близкими нам структурами управляет обычная материя. Она отвечает за движение наших тел, за энергетические источники, питающие нашу экономику, за экран компьютера или бумагу, на которой вы это читаете, и практически за всё, что вы можете себе представить. Если что-то взаимодействует так, что это можно измерить, оно достойно внимания, поскольку оно сможет оказывать влияние на наше окружение.

Обычно у тёмной материи нет такого интересного влияния и структуры. Предполагается, что тёмная материя – это клей, удерживающий галактики и их скопления, находящийся в аморфных облаках. Но что, если это не так, и только наша предвзятость – и неведение, корень предвзятости – служит причиной нашего неверного представления?

В Стандартной модели есть шесть типов кварков, три типа заряженных лептонов (включая электрон), три вида нейтрино, частицы, отвечающие за все силы, а также новообретённый бозон Хиггса. Что, если мир тёмной материи, может и не настолько, но тоже разнообразный? В этом случае взаимодействия тёмной материи будут пренебрежимыми, но небольшая её часть будет взаимодействовать с силами, напоминающие силы обычной материи. Богатая и сложная структура частиц и сил Стандартной модели отвечает за множество интересных феноменов. Если у тёмной материи есть взаимодействующий компонент, он тоже может оказаться влиятельным.

Если бы мы были существами, состоящими из тёмной материи, было бы неправильным полагать, что все частицы обычной материи одинаковы. Возможно, люди, состоящие из обычной материи, делают ту же ошибку. Учитывая сложность СМ физики частиц, описывающей простейшие из известных нам компонентов материи, кажется странным предполагать, что вся тёмная материя состоит только из одного вида частиц. Почему бы не предположить, что некая её часть подвержена своим собственным взаимодействиям?

В таком случае, точно так же, как обычная материя состоит из разных типов частиц, и все эти фундаментальные составные части взаимодействуют через разные комбинации зарядов, у тёмной материи также будут разные составные части – и хотя бы один тип таких частиц будет участвовать в негравитационных взаимодействиях. Нейтрино в СМ не подвергаются влиянию электрической силы или сильного взаимодействия, в отличие от шести типов кварков.

Точно также, возможно, один тип частиц тёмной материи слабо или вообще не взаимодействует ни с чем, кроме как посредством гравитации, но какие-нибудь 5% от частиц испытывают другие взаимодействия. На основе изучения обычной материи можно сказать, что такой вариант более вероятен, чем обычное предположение о наличии одной слабовзаимодействующей частицы.

Ошибкой людей, занимающихся связями с иностранной общественностью, бывает попытка сгрести культуру другой страны в кучу, и не учитывать того факта, что в ней может существовать разнообразие, очевидное для их собственной страны. Так же, как хороший переговорщик не предполагает преобладания одного сектора общества над другим, пытаясь сравнивать разные культуры, так и непредвзятый учёный не должен предполагать, что тёмная материя не такая интересная, как обычная, и в ней не хватает разнообразия материи, схожего с тем, что имеется в нашей.

Пишущий на научно-популярные темы Кори Пауэлл [Corey S. Powell], сообщая о нашем исследовании в журнале Discover, начал статью со слов о том, что он «шовинист лёгкой материи» – и что все мы тоже. Он имел в виду, что мы считаем, будто знакомая нам материя более важна, и, следовательно, более сложна и интересна. Очень похожие представления были опрокинуты революцией Коперника. Но большинство людей настаивают на том, что их точка зрение и убеждённость в нашей важности соответствуют реальному миру.

Множество компонент обычной материи по-разному взаимодействуют и по-разному влияют на мир. Так может быть, и у тёмной материи есть разные частицы с различным поведением, влияющие на структуру Вселенной измеряемым образом.

Впервые начав изучать частично взаимодействующую тёмную материю, я удивился, что практически никто не задумывался о том, что предположение, согласно которому только обычная материя демонстрирует разнообразие типов частиц и взаимодействий, является высокомерным заблуждением. Некоторые физики пытались анализировать такие модели, как «зеркальная тёмная материя», в которой тёмная материя повторяет всё, что свойственно обычной. Но такие примеры экзотичны. Их последствия трудно объединить с тем, что нам известно.

Несколько физиков изучали более общение модели взаимодействия тёмной материи. Но и они предполагали, что вся тёмная материя одинакова и подвергается одинаковым взаимодействиям. Никто не допускал простой возможности, по которой, хотя большая часть тёмной материи не взаимодействует с обычной, малая её толика может это делать.

Одна из причин этого понятна. Большинство людей считают, что новый тип тёмной материи не будет влиять на большую часть наблюдаемых явлений, если это всего лишь небольшая часть от тёмной материи. Мы ещё даже не смогли пронаблюдать самый главный компонент тёмной материи, и заниматься её небольшой составляющей кажется преждевременным.

Но если вспомнить, что обычная материя переносит лишь 20% энергии от тёмной, при этом большинство из нас замечает только её, можно понять, в чём эта логика неправа. Материя, взаимодействующая через более мощные негравитационные силы, может представлять больше интереса и оказывать больше влияния, чем большая часть слабо взаимодействующей материи.

С обычной материей так и есть. Она чрезмерно влиятельна, несмотря на её малое количество, поскольку она сжимается в плотные диски, из которых могут формироваться звёзды, планеты, Земля и жизнь. Заряженный компонент тёмной материи – хоть его может и не быть так много – тоже может сжиматься и формировать диски, такие, как видимый диск в Млечном пути. Он даже может сгущаться в объекты, похожие на звёзды. Такую структуру в принципе можно пронаблюдать, и, возможно, это ещё проще сделать, чем обычная холодная тёмная материя, рассеянная в огромном сферическом гало.

Если размышлять таким образом, то количество возможностей быстро растёт. Ведь электромагнетизм – всего лишь одно из нескольких негравитационных взаимодействий, испытываемых частицами Стандартной модели. Кроме силы, привязывающей электроны к ядрам, частицы СМ испытывают слабое и сильное ядерное взаимодействие. В мире обычной материи могут существовать и другие взаимодействия, но настолько слабые на доступных нам энергиях, что их ещё никто не наблюдал. Но даже присутствие трёх негравитационных взаимодействий намекает на то, что в тёмном секторе тоже могут присутствовать негравитационные взаимодействия кроме тёмного электромагнетизма.

Возможно, на тёмную материю, кроме сил, похожих на электромагнитную, влияют и силы ядерного толка. Возможно, что из тёмной материи могут формироваться тёмные звёзды, в которых идут ядерные реакции, благодаря которым образуются структуры, ведущие себя более похожим на обычную материю образом, чем описываемая мною до сих пор тёмная материя. В таком случае в тёмном диске могут находиться тёмные звёзды, окружённые тёмными планетами, состоящими из тёмных атомов. У тёмной материи может наблюдаться та же сложность, что есть и у обычной.

Частично взаимодействующая тёмная материя представляет собой богатую почву для измышлений и вдохновляет нас на рассмотрение возможностей, к которым иначе мы бы и не обратились. Писатели и киношники могут найти все эти дополнительные силы и последствия, таящиеся в тёмном секторе, весьма заманчивыми. Они могли бы даже предположить наличие тёмной жизни, существующей параллельно с нашей. В этом случае, вместо обычных анимированных существ, сражающихся с другими анимированными существами, или, в редких случаях, работающих с ними сообща, по экрану могли бы маршировать существа из тёмной материи, которые перетянули бы на себя всё действие.

Но смотреть на это было бы не так интересно. Проблема в том, что кинематографисты столкнулись бы с трудностями при съёмках тёмной жизни, невидимой для нас. Даже если бы и существовали тёмные существа, мы не узнали бы об этом. Вы не можете знать, насколько симпатичной могла бы быть тёмная жизнь – и почти наверняка не узнаете.

Хотя довольно весело размышлять о возможностях существования тёмной жизни, гораздо сложнее придумать, как её наблюдать – или хотя бы обнаружить её существование по косвенным признакам. Довольно сложно найти жизнь, состоящую из тех же компонентов, что и мы, хотя поиски внесолнечных планет идут. Но доказательства существования тёмной жизни, если она существует, будут ещё более неуловимыми, чем доказательства существования обычной жизни в удалённых мирах.

Совсем недавно нам удалось пронаблюдать гравитационные волны, исходящие от огромных чёрных дыр. У нас практически нет шанса обнаружить гравитацию тёмного существа или целой армии тёмных существ, неважно, как близко от нас они находятся.

В идеале хотелось бы как-то общаться с этим новым сектором. Но если эта новая жизнь не подвергается воздействию знакомых нам сил, этого не будет. Хотя мы разделяем с ними гравитацию, такое влияние одного объекта или жизненной формы будет слишком слабым для обнаружения. Только очень крупные объекты, типа диска в плоскости Млечного пути, могут порождать наблюдаемые эффекты.

Тёмные объекты или тёмная жизнь могут существовать очень близко к нам – но если общая масса тёмного вещества невелика, мы об этом не узнаем. Даже с современной технологией, или любой технологией, которую мы можем представить, проверить можно будет только очень специфические возможности. «Теневая жизнь», какой бы она ни была волнующей, вряд ли будет иметь осязаемые нами последствия, и может быть соблазнительной, но недостижимой возможностью. Но тёмная жизнь – это весьма вольное предположение. Фантастам не составит проблем создать её, но у Вселенной для этого есть гораздо больше препятствий. Непонятно, какие из вариантов химических взаимодействий способны поддерживать жизнь, и нам неизвестно, какая среда необходима для тех вариантов, которые способны это делать.

Тем не менее, в принципе тёмная жизнь может существовать, прямо у нас под носом. Но без более сильных взаимодействий с материей нашего мира, она может развлекаться, сражаться, быть активной или пассивной – и мы никогда не узнаем об этом. Интересно, однако, что при наличии взаимодействий в тёмном мире, связанных или не связанных с жизнью, они могут влиять на структуру измеряемым образом. И тогда мы сможем гораздо больше узнать о тёмном мире.