Международная команда астрономов из университетов Ноттингема, Тель-Авива, Нью-Йорка предложила объяснение парадокса, который наблюдается при измерении температуры межзвездного газа. Этот газ нагревают частицы темной материи - "темные фотоны". Компьютерное моделирование позволило оценить массу этих гипотетических частиц.
Группа астрофизиков использовала компьютерное моделирование, чтобы предложить радикальное объяснение "теплой" Вселенной: ее разогревает особая форма темной материи, получившая название «темные фотоны».
Эти странные частицы должны быть носителями новой, пятой силы природы, которая не взаимодействует с наблюдаемой материей, но иногда эти темные фотоны могут меняться, становясь обычными фотонами, и эти возникшие фотоны становятся неучтенным источником тепла.
Леса Лайман-альфа
Когда мы наблюдаем свет от отдаленного яркого объекта, например, квазара, в спектре этого далекого объекта видны пробелы (или щели). Причина возникновения этих щелей в следующем: свет от квазара проходит через миллиарды световых лет газа, чтобы добраться до нас. Иногда этот свет вызывает излучение нейтрального водорода.
Большая часть света далеких квазаров пройдет незатронутой, но свет с очень определенной длиной волны (21 см) поглощается. Эта длина волны соответствует разнице энергий, необходимой для "переворота" электрона на орбите атома водорода, то есть смене направления магнитного момента. Излучение нейтрального водорода - один из главных инструментов, который астрономы используют для изучения космоса.
Свет от квазара проходит через многочисленные облака и сгустки нейтрального водорода. Расширение Вселенной приводит к красному смещению щелей в сторону разных длин волн, при этом новая щель появляется на другой длине волны в зависимости от расстояния до конкретных газовых облаков. Конечным результатом этого является «лес Лайман-альфа»: ряд линий в спектре квазара.
Становится горячее
Щели леса Лайман-альфа можно использовать для измерения температуры газовых облаков. Если бы нейтральный водород был совершенно неподвижен, щель выглядела бы как очень тонкая линия. Но поскольку молекулы движутся, то щель будет расширяться из-за кинетической энергии этих молекул. Чем горячее газ, тем больше кинетическая энергия молекул и тем шире щель.
В новой работе группа астрофизиков указала, что при использовании этого метода оказывается, что облака межгалактического газа слишком горячие. Компьютерное моделирование эволюции этих газовых облаков предсказывает, что они будут немного холоднее, чем мы наблюдаем, а значит что-то нагревает эти облака, но мы не знаем что.
Авторы исследования утверждают, что одним из возможных объяснений этого несоответствия является присутствие «темных фотонов» в нашей Вселенной. Это гипотетическая форма темной материи, таинственной невидимой субстанции, на долю которой приходится примерно 26% всей массы Вселенной, и которая не взаимодействует с электромагнитным излучением.
Теплая тьма
Из обычных фотонов состоит электромагнитное поле. По аналогии - из темных фотонов должны состоять поля какой-то новой силы природы, которая не действует в обычных масштабах и в обычных условиях (например, в наших лабораториях или внутри Солнечной системы мы ее не видим).
По мнению авторов исследования, темные фотоны имеют небольшую массу и могут взаимодействовать между собой и с другими потенциальными частицами темной материи. В моделях, исследованных командой, темные фотоны способны еще на один трюк: они могут время от времени превращаться в обычные фотоны. Когда это происходит (а это происходит крайне редко), возникший обычный фотон нагревает межзвездный газ. Исследователи выполнили моделирование эволюции Вселенной с учетом эффектов, возникающих из-за темных фотонов. Они обнаружили, что определенное сочетание массы темного фотона и вероятности его превращения в обычный фотон может объяснить несоответствие нагрева облаков межзвездного газа.
Безусловно, это не единственное объяснение нагрева межзвездного газа. Об одном из вариантов мы писали. Возможно, источником дополнительного нагрева являются гипотетические частицы темной материи аксионы. Возможны и другие, менее экзотические объяснения. Но теория темных фотонов дает простое и элегантное решение, а такие решения астрофизики ценят высоко.