Что такое темная материя и почему постулированные частицы темной материи ведут себя по-разному в системах разных размеров? Команда ученых считает, что уже смогла бы ответить на этот вопрос: частицы темной материи могут рассеиваться лишь тогда, когда они обладают правильной энергией.
Темная материя - это таинственная и до сих пор не обнаруженная форма материи, на долю которой приходится более 80 процентов всей материи во вселенной. Ее свойства неизвестны, но считается, что сила ее гравитации играет ведущую роль в образовании звезд и галактик, а в конечном итоге именно она стала причиной и нашего существования.
«В некотором смысле темная материя - это наша мать, которая родила всех нас. Но мы никогда ее не встречали; ведь каким-то образом мы были разлучены с ней при рождении. Кто она? Вот вопрос, поиском ответа на который мы занимаемся», - говорит Хитоси Мураяма, профессор Калифорнийского университета в Беркли и главный научный сотрудник Физико-математического института Кавли.
Астрономы обнаружили, что темная материя, похоже, не сгущается так сильно, как это предполагали предыдущие компьютерные симуляции. Если единственная сила, с которой взаимодействует темная материя, это сила гравитации, то плотность темной материи в центре галактик должна быть очень высокой. Правда, в центрах небольших, слабых галактик, так называемых карликовых сфероидов, темная материя, похоже, не становится настолько плотной, как это предполагалось.
Такое поведение можно объяснить в том случае, если темная материя способна взаимодействовать сама с собой, например, при столкновении ее частиц друг с другом, словно бильярдных шаров, чтобы она могла распространяться более равномерно после таких столкновений. Однако одной из проблем такой идеи является то, что темная материя, по-видимому, уплотняется в более крупных системах, таких как скопления галактик, а не в небольших системах. Вопрос стоит так: Почему темная материя ведет себя по-разному в карликовых галактиках и в галактических скоплениях?
Международная исследовательская группа разработала теорию, которая могла бы решить эту загадку, поддерживая гипотезу о том, что темная материя состоит из частиц, которые могут сталкиваться друг с другом. «Если темная материя рассеивается только с низкой, но очень специфической скоростью, то это теоретически может происходить лишь в карликовых сфероидах, где частицы движутся медленно, но не в скоплениях галактик, где они движутся быстро. Им нужно резонировать, чтобы произошло столкновение», - говорит китайский физик Сяоюн Чу, научный сотрудник Австрийской академии наук.
Резонанс является обычным явлением и в повседневной жизни: например, ребенка на качелях нужно толкать с определенной частотой, чтобы он качался все выше и выше. Или, если вы поставите качающийся камертон вблизи гитары, гитарная струна начнет вибрировать именно тогда, когда она настроена правильно. Это самые простые примеры резонанса, говорит Мураяма.
И исследователи предполагают, что в случае с темной материей все происходит точно также: частицы темной материи сталкиваются гораздо чаще при движении с определенной энергией. «Насколько мы понимаем, это самое простое объяснение загадки. И это может помочь нам понять, что же такое эта темная материя», - рассуждает Мураяма.
Однако команда с самого начала не была уверена, что столь простая теория сможет правильно описать данные предыдущих измерений. «Сначала мы несколько скептически относились к тому, объяснит ли эта идея данные наблюдений, но когда мы попробовали ее, она сработала фантастически», - говорит колумбийский исследователь Камило Гарсиа Чели, сотрудник DESY.
Чтобы предполагаемая ими схема работала, резонанс должен быть очень близок к удвоенной массе частицы темной материи. Исследователи полагают, что темная материя совсем не случайно создает только необходимое количество резонансной энергии для столкновений. «В природе имеется много других систем, где прослеживаются похожие совпадения. Например, при производстве углерода в звездах альфа-частицы встречаются с резонансом бериллия, который, в свою очередь, резонирует с углеродом, создавая строительные блоки, породившие всю жизнь на Земле», - говорит Гарсия Сели.
«Такое поведение темной материи может также указывать на то, что наш мир имеет больше измерений, чем известно нам. Когда частица движется в таких дополнительных измерениях, она имеет определенную кинетическую энергию. Мы, то есть те, кто не видит таких дополнительных измерений, наблюдаем энергию как массу, благодаря формуле Эйнштейна E=mc2 - энергия и масса эквивалентны. Возможно, частица в дополнительном измерении движется в два раза быстрее, поэтому и ее масса в два раза больше массы темной материи», - говорит Чу.
На следующем этапе исследовательская группа хочет обосновать свою теорию данными наблюдений. «Если это так, то будущие и более подробные наблюдения за различными галактиками покажут, что рассеяние темной материи на самом деле зависит от ее скорости», - делится планами Мураяма, который также руководит своей собственной международной исследовательской группой, планирующей проводить наблюдения с помощью строящегося в настоящее время спектрографа Prime Focus. Прибор стоимостью 80 миллионов долларов, установленный на телескопе Subaru на Мауна-Кеа на Гавайях, сможет измерять скорость тысяч звезд в карликовых сфероидах.
