Около 85% материи во Вселенной невидимо и обозначается как темная материя. Мы не знаем, какие частицы составляют это вещество, но существование темной материи подтверждается ее гравитационным влиянием на обычную материю, такую как звезды и газ. Это так же достоверно, как информация о членах моей семьи, которую репортеры могут получить, поговорив только со мной.
Одна из популярных недавно моделей темной материи предполагает существование частиц с небольшим электрическим зарядом, так называемой "миллизаряженной темной материи". Если отношение заряда к массе у этих частиц намного меньше, чем у электронов, их взаимодействие со светом будет незначительным, что объясняет их "темноту".
Когда мой выдающийся коллега Миша Медведев пришел в мой кабинет несколько месяцев назад в первый день своего творческого отпуска в Институте теории и вычислений Гарварда, он предложил обсудить миллизаряженную темную материю. Всего за десять минут мы выявили новые ограничения, ранее не выводившиеся, которые сильно ограничивают электрический заряд темной материи до крайне низких уровней. Быстрота нашего анализа объясняется тем, что и Миша, и я обучались как физики плазмы во время наших аспирантских исследований.
Что такое плазма? Это смесь заряженных частиц, как суп из электронов и протонов, получающийся при расщеплении атомов водорода на их составляющие. В первые 400 тысяч лет после Большого взрыва космический газ и излучение были достаточно горячими (выше 3000 градусов Кельвина), чтобы столкновения могли разрушать атомы водорода. Затем, на протяжении следующего миллиарда лет, водород оставался в форме атомов, пока первые поколения звезд не произвели достаточно ультрафиолетового излучения, чтобы снова превратить атомы в смесь свободных электронов и протонов. Таким образом, большая часть обычной материи во Вселенной находится в состоянии плазмы.
Мы с Мишей предположили, что если темная материя имеет миллизаряд, то она также будет вести себя как плазма.
Электромагнетизм намного сильнее гравитации. Но благодаря равенству положительных и отрицательных зарядов плазма ведет себя как практически нейтральная жидкость под влиянием гравитации. Даже если частицы плазмы не сталкиваются друг с другом, запутанные магнитные поля будут удерживать заряженные частицы в движении, ограничивая их так называемым расстоянием Лармора.
Два десятилетия назад ученые исследовали распределение материи в скоплении галактик, названном "Скопление Пули", состоящем из двух компонентов гигантского слияния со относительной скоростью 4500 километров в секунду (примерно 1,5% скорости света). Горячая электрон-протонная плазма была картографирована благодаря своему рентгеновскому излучению при температуре 200 миллионов градусов, что в десятки раз горячее, чем центр Солнца. Темная материя была картографирована с помощью гравитационного линзирования изображений далеких галактик позади скопления.
Удивительно, но центр массы темной материи был смещен относительно зоны столкновения плазмы, как и ожидалось, если обычная материя останавливалась ударной волной, в то время как темная материя, подобно не взаимодействующим звездам, проходила через зону столкновения. Это указывает на то, что темная материя не взаимодействует ни сама с собой, ни с магнитными полями, присутствующими в скоплении.
В скоплениях галактик наблюдаются сильные магнитные поля с амплитудой порядка одной миллионной гаусса. Исходя из этого значения, мы с Мишей использовали ограничение, что темная материя не останавливалась в зоне столкновения, чтобы утверждать, что расстояние Лармора для темной материи больше, чем расстояние между зоной столкновения и центром темной материи. Это подразумевает, что отношение заряда к массе для частиц темной материи в сто триллионов раз меньше, чем у протонов. Еще одно ограничение, связанное с масштабом плазменных нестабильностей, привело к еще более строгому ограничению, в сто раз более жесткому.
Исходя из этих соображений, мы пришли к выводу, что электрический заряд частиц темной материи совершенно незначителен, что согласуется с нашей неспособностью обнаружить эти частицы через их взаимодействие со светом.
Хотя мы не можем видеть темную материю, есть надежда, что мы сможем обнаружить ее следы другим способом — либо в лабораториях через взаимодействие с обычной материей, либо в космосе через вторичные проявления. Пока физики вложили десятилетия исследований и миллиарды долларов в поиски темной материи, но без успеха. Когда я спросил одного из экспериментаторов: «Как долго вы будете продолжать искать?», он ответил: «Пока Национальный научный фонд выделяет мне на это гранты». По мере того как экспериментаторы продолжают искать темную материю, ограничения на существующие модели будут улучшаться, и появится необходимость в новых идеях для объяснения этого явления.
Поскольку темная материя мало влияет на нашу повседневную жизнь, я советую федеральным агентствам выделить аналогичные средства на поиск внеземных цивилизаций. Если мы их найдем, наше представление о космическом существовании изменится, и мы сможем спросить их, знают ли они природу темной материи. Это сэкономит нам время и деньги. Если они знают, как управлять темной материей, их самые продвинутые невидимые космические корабли могут быть скрыты от нас, предоставляя новый ответ на парадокс Ферми: «Где все?»
Если вам нравится читать статьи на нашем канале и вы хотите помочь в его развитии, вы можете поддержать канал донатом: