Около 85% вещества во Вселенной невидимо и обозначается как темная материя. Мы не знаем, какие частицы составляют это вещество. Мы знаем, что темная материя существует, исходя из ее гравитационного влияния на обычное вещество, которое мы обнаруживаем в форме звезд и газа. Это так же надежно, как информация, которую журналисты получают о членах моей семьи, общаясь только со мной.
Одна из предложенных моделей темной материи, которая недавно стала популярной, включает частицы с небольшим электрическим зарядом, так называемую "мильно заряженную" темную материю. Если отношение заряда к массе намного меньше, чем у электронов, взаимодействие темной материи со светом будет незначительным, что объясняет ее "темноту".
Когда мой блестящий коллега, Миша Медведев, пришел в мой офис несколько месяцев назад в первый день своего академического отпуска в Институте теории и вычислений Гарварда (ITC), он предложил обсудить мильно заряженную темную материю. В течение десяти минут мы натолкнулись на беспрецедентные ограничения, которые ранее не были выведены, что резко ограничило электрический заряд темной материи до незначительных уровней. Причина, по которой мы быстро вывели эти ограничения, заключается в том, что и Миша, и я прошли подготовку как специалисты по плазме во время нашей аспирантуры.
Что такое плазма? Это смесь заряженных частиц, подобная супу из электронов и протонов, возникающему в результате разрушения атомов водорода на их составляющие. В первые 400 000 лет после Большого взрыва космический газ и излучение были достаточно горячими — выше 3000 градусов Кельвина, чтобы столкновения разрушали атомы водорода. В последующие миллиард лет космический водород оставался в форме атомов до тех пор, пока первое поколение звезд не произвело достаточно ультрафиолетового излучения, чтобы снова превратить эти атомы в суп из свободных электронов и протонов. В результате большая часть обычного вещества во Вселенной находится в состоянии плазмы.
Миша и я предположили, что если темная материя была бы мильно заряженной, то она также вела бы себя как плазма.
Электромагнетизм намного сильнее гравитации. Но учитывая равное количество положительных и отрицательных зарядов, плазма ведет себя как почти нейтральная жидкость под влиянием гравитации. Даже если частицы плазмы не сталкиваются друг с другом, запутанные магнитные поля будут удерживать заряженные частицы в движении, ограниченном так называемым радиусом Лармора.
Два десятилетия назад наблюдатели составили карту распределения вещества в скоплении галактик, называемом Скопление Пуля, состоящем из двух подкомпонентов гигантского слияния с относительной скоростью 4500 километров в секунду, что составляет около 1,5% скорости света. Горячая электрон-протонная плазма была картирована через ее рентгеновское излучение при температуре 200 миллионов градусов, что в десятки раз выше температуры в центре Солнца. Темная материя была картирована через ее гравитационное линзирование изображений галактик на заднем плане далеко за скоплением.
Удивительно, но центроид темной материи был смещен относительно интерфейса столкновения электрон-протонных плазм, как и ожидалось, если бы обычное вещество было остановлено в фронте ударной волны при столкновении, тогда как темная материя, как и звезды, свободные от столкновений, прошла через интерфейс столкновения между коллидирующими подкомпонентами. Это предполагает, что темная материя не взаимодействует ни с собой, ни с магнитными полями, встроенными в скопление.
Скопления галактик демонстрируют сильные магнитные поля с амплитудой порядка миллионной доли гаусса. Приняв это значение, Миша и я использовали ограничение, что темная материя не была остановлена на интерфейсе столкновения, чтобы аргументировать, что ее радиус Лармора был больше расстояния между этим интерфейсом и центроидом темной материи. Это подразумевает отношение заряда к массе для частиц темной материи, которое в сто триллионов раз меньше значения для протонов. Другое ограничение, связанное с масштабом плазменных нестабильностей, предполагало лимит, который в сто раз жестче, чем это.
Основываясь на этих соображениях, мы ограничили частицы темной материи до совершенно незначительного электрического заряда, что согласуется с нашей неспособностью обнаружить эти частицы через их взаимодействие со светом.
Хотя мы не можем видеть темную материю, надеемся, что мы обнаружим ее след другим способом, либо в лабораториях через ее взаимодействие с обычным веществом, либо в космосе через ее вторичные сигнатуры. До сих пор физики вложили десятилетия исследований и миллиарды исследовательских средств в поиски темной материи без успеха. Когда я спросил одного из экспериментаторов: "как долго вы будете продолжать поиски?", он ответил: "до тех пор, пока Национальный научный фонд будет выделять мне гранты на это." По мере того как экспериментаторы продолжают поиски темной материи, ограничения на существующие модели будут улучшаться, и возникнет необходимость в новых идеях для их объяснения.
Поскольку темная материя мало влияет на нашу повседневную жизнь, мой совет федеральным финансирующим агентствам — выделить аналогичные средства на поиски внеземных цивилизаций. Если мы их найдем, не только наше представление о космическом существовании изменится, но мы также сможем спросить их, знают ли они природу темной материи. Это может сэкономить нам время и деньги. Если они знают, как управлять темной материей, их самые продвинутые скрытые космические корабли могут быть для нас невидимыми, давая новый ответ на парадокс Ферми: "Где все?"
4o