Тёмная материя не взаимодействует с светом и обычной материей, что делает её практически «невидимой». Однако учёные не уверены, взаимодействует ли тёмная материя сама с собой. Новое исследование предполагает, что скопления галактик могут быть использованы в качестве «естественных коллайдеров» тёмной материи, если частицы, составляющие тёмную материю, действительно взаимодействуют между собой.
Скопления галактик заполнены тёмной материей, и астрономы могут исследовать места их столкновений, чтобы обнаружить возможные признаки взаимодействия тёмной материи с самой собой. Хотя такая подсказка не раскроет состав тёмной материи, она поможет исключить модели тёмной материи, которые не допускают самовзаимодействия, приближая исследователей к истинному кандидату на роль тёмной материи.
«В скоплениях галактик также доминирует тёмная материя. Она составляет 80 до 90% их массы, и чем массивнее объект, тем быстрее будут двигаться составляющие его частицы тёмной материи. По сути, вы изучаете столкновения при очень высоких энергиях», — заявила Жаклин Макклири, доцент кафедры физики Северо-Восточного университета.
Отсутствие взаимодействий — это одна из причин, по которой тёмная материя так сложно поддаётся пониманию. Несмотря на то, что она составляет более 80% материальной вселенной и обеспечивает гравитационное влияние, которое не дает галактикам разлетаться, тёмная материя фактически невидима, поскольку она не взаимодействует со светом. Аналогично, частицы тёмной материи проскальзывают сквозь частицы материи, как космические призраки.
Источник: ESO/R. Massey
Эти «антисоциальные» свойства привели учёных к пониманию того, что тёмная материя не может состоять из атомов, состоящих из электронов, протонов и нейтронов, которые взаимодействуют со светом и друг с другом. Это послужило толчком к поиску жизнеспособной частицы-кандидата тёмной материи.
«Всё во Вселенной — это частица, волна и поле, поэтому базовое предположение заключается в том, что тёмная материя должна быть частицей. Вопрос в том, что это за частица, поскольку «частица» — очень расплывчатое понятие», — сказал Макклири.
Кандидаты на роль частиц варьируются от гипотетических «слабо взаимодействующих массивных частиц» или WIMPS до «массивных компактных гало-объектов» или MACHO, до крошечных, почти безмассовых частиц, называемых аксионами или стерильными нейтрино. Даже крошечные чёрные дыры, оставшиеся после Большого взрыва, называемые первичными чёрными дырами, были рассмотрены в качестве кандидатов на тёмную материю.
Проблема в том, что все эти подозреваемые не поддаются обнаружению и, таким образом, остаются гипотетическими. Фантомная природа тёмной материи означает, что мы не можем просто загрузить частицы тёмной материи в ускоритель частиц на Земле, например, в Большой адронный коллайдер (БАК), чтобы столкнуть их и определить их состав.
Итак, хотя БАК раскрыл некоторые секреты стандартной модели физики элементарных частиц, расщепляя протоны и наблюдая за возникающими при этом потоками частиц, тёмная материя, которая лежит за пределами этой модели, по-видимому, недоступна для самого мощного в мире ускорителя частиц.
Единственный способ, которым можно фактически сделать вывод о наличии темной материи, — это рассмотреть одно взаимодействие, в котором она, по-видимому, участвует. Тёмная материя имеет массу, и поэтому она деформирует пространство-время, что придает ей гравитационное влияние. Это влияние может определять движение материи и света, и это можно обнаружить. Именно благодаря этому косвенному подходу известно, что галактики окружены огромными ореолами тёмной материи, и что тёмная материя также существует в больших количествах вблизи ядер галактик.
Учёные также предполагают, что когда галактики группируются в скопления, это является результатом влияния тёмной материи, которое распространяется по вселенной. Это также помогает отдельным галактикам набирать массу и расти, поскольку её гравитационное влияние притягивает обычную материю.
Макклири и его коллеги предложили отказаться от искусственного ускорителя частиц в пользу естественного. Они рассуждают, что если скопления галактик и переносимая ими темная материя столкнутся с достаточной силой, могут произойти обнаруживаемые взаимодействия тёмной материи — если тёмная материя действительно взаимодействует сама с собой.
Эти взаимодействия могут быть такими простыми, как столкновения и отскакивания друг от друга частиц тёмной материи, или они могут привести к взаимному уничтожению и вспышке энергии. Когда частицы и античастицы — скажем, электрон и его античастица, называемая позитроном — встречаются, они уничтожают друг друга, и содержащаяся в них энергия высвобождается. Некоторые модели тёмной материи предполагают, что она является своей собственной античастицей, и если это так, то столкновения частиц тёмной материи могут привести к их взаимному уничтожению и высвобождению энергии.
Этот метод обнаружения тёмной материи будет зависеть от двух из этих обширных групп галактик, которые встретятся и столкнутся друг с другом. Хотя такая подсказка не расскажет, из каких именно частиц состоит тёмная материя, она поможет исключить модели тёмной материи, которые не допускают самовзаимодействия, приближая исследователей к истинному кандидату на роль тёмной материи.
Источник: iXBT
