Астрономы предложили новую модель невидимой материи, составляющей большую часть Вселенной: часть частиц темной материи может иметь крошечный электрический заряд.
«Вы слышали о электромобилях и электронных книгах, но теперь мы говорим об электрической темной материи», – говорит Джулиан Муньос, научный сотрудник факультета физики Гарвардского университета (США), возглавлявший новое исследование.
Джулиан Муньос и его коллега Ави Леб из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики исследовали возможность взаимодействия заряженных частиц темной материи с нормальным веществом посредством электромагнитной силы.
Их работа согласуется с недавно объявленным результатом экспериментов EDGES. В феврале ученые из этого проекта заявили, что они обнаружили радиосигнал и возможные доказательства взаимодействия между темной материей и нормальным веществом первого поколения звезд. Пока некоторые астрономы оспаривали выводы EDGES, Муньос и Леб уже смотрели на теоретическую основу материалов. Природа темной материи – одна из самых больших загадок в науке, и для ее решения ученые решили использовать любые связанные с ней новые данные.
История начинается с первых звезд, излучающих ультрафиолетовый свет. Согласно общепринятому сценарию, ультрафиолет взаимодействовал с холодными атомами водорода в межзвездном газе и позволял атомам поглощать излучение космического микроволнового фона (КМФ), оставшееся от Большого Взрыва.
Это поглощение должно было привести к снижению интенсивности КМФ менее чем через 200 миллионов лет после Большого Взрыва. Команда EDGES утверждает, что подтвердила это, хотя ее результаты пока еще не проверены независимыми учеными. Однако температура газообразного водорода в данных EDGES составляет примерно половину ожидаемого значения.
«EDGES обнаружил более холодный водород, но как это объяснить? Одна из возможностей заключается в том, что водород был охлажден темной материей», – считает Джулиан Муньос.
Пока излучение КМФ поглощалось, любые свободные электроны или протоны обычного вещества двигались бы с их самыми медленными возможными скоростями (поскольку позднее они были нагреты рентгеновскими лучами первых черных дыр). Рассеяние заряженных частиц наиболее эффективно при низких скоростях, поэтому любые взаимодействия между нормальной и темной материями были бы максимально заметны, если бы начальная темная материя имела заряд. Это взаимодействие привело бы к охлаждению газообразного водорода, потому что невидимая материя была холодной.
«Мы ограничиваем возможность того, что частицы темной материи несут крошечный электрический заряд в миллионную часть электрона через измеримые сигналы космического рассвета. Такие крошечные заряды невозможно наблюдать даже с помощью крупнейших ускорителей частиц», – говорит Ави Леб.
Только небольшое количество темной материи со слабым электрическим зарядом может объяснить данные EDGES и соответствовать другим данным. Если бы заряжалась сама темная материя, ее частицы были бы отклонены от областей подобных Млечному Пути и не могли бы вернуться в них. Это противоречит наблюдениям, показывающим большое количество темной материи вблизи диска нашей Галактики.
Ученые знают из наблюдений КМФ, что протоны и электроны, объединенные в ранней Вселенной, образуют нейтральные атомы. Только небольшая часть этих заряженных частиц, примерно одна тысячная, оставалась свободной. Муньос и Леб считают, что темная материя могла действовать аналогичным образом. Данные EDGES и подобных экспериментов – единственный способ обнаружить небольшое количество оставшихся заряженных частиц, поскольку большая часть темной материи стала нейтральной.