Темная материя чуть-чуть посветлела Как ставить ловушки на вимпов

Объединенная группа исследователей из Британии и США обнаружила, что частички темной материи способны взаимодействовать между собой с помощью каких-то сил, которые не имеют отношения к гравитации. Об этом сообщается в статье, недавно опубликованной в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Это открытие может оказаться по-настоящему прорывным для астрофизики.

Парад сталкивающихся галактик

О темной материи известно очень мало. Существует множество гипотез о ее природе, из которых наиболее правдоподобной на сегодня считается концепция так называемой «холодной темной материи». Согласно этой гипотезе, частицы темной материи интенсивно рождались и аннигилировали в очень ранней Вселенной при сверхвысоких температурах (порядка 10 в пятнадцатой степени градусов Цельсия), и часть их, причем самая медленная, дожила до наших дней. Их количество со временем уже не уменьшается — то ли из-за малых скоростей, то ли еще почему-то они не взаимодействуют друг с другом.

Но теперь выясняется, что это не совсем так. Свое открытие ученые совершили, наблюдая за одновременным слиянием сразу четырех галактик в галактическом скоплении Abell 3827, находящемся от нас на расстоянии полтора миллиарда световых лет. Дело в том, что искомое взаимодействие должно быть очень слабым, и заметить его можно только при катастрофах галактического масштаба. Руководитель группы, британец Ричард Мэсси (Richard Massey) из Даремского университета, посвятил этой проблеме всю свою научную карьеру. Его команда проанализировала 72 галактических столкновения, но безрезультатно. Обобщая свои наблюдения в марте 2015 года, ученые пришли к выводу, что если частицы темной материи и взаимодействуют между собой, то намного реже, чем предсказывают теории, допускающие такое взаимодействие.

Но «реже» не значит «никогда». Слияния галактик длятся сотнями миллионов лет, и то, что можно увидеть за время человеческой жизни, — всего лишь миг этого процесса, моментальный снимок, который чаще всего сделан в неподобающее время и в неподобающем ракурсе.

И вот ученым, наконец, повезло. Семьдесят третье столкновение в скоплении Abell 3827 оказалось для наблюдений удачным. В этом галактическом ДТП было больше участников, чем обычно, что придавало процессу дополнительную мощь. Позади сталкивающегося квартета находится крупная галактика, на свет от которой подействовала созданная участниками столкновения гравитационная линза. И само столкновение оказалось на редкость старым, что позволило искомому незначительному эффекту накопиться. Не подвел и ракурс: пятнышки галактик расположились в этом моментальном снимке словно на групповом фото, не заслоняя друг друга.

И все-таки она тормозит!

Использовав данные, полученные 3D-спектрографом MUSE, год назад установленном на европейском наземном «Очень большом телескопе», и снимки, сделанные космической обсерваторией Hubble, ученые сумели создать карту распределения темной материи вокруг сталкивающихся галактик.

Согласно сегодняшним представлениям, каждая галактика находится в облаке темной материи, и это облако сопровождает ее, окружая своеобразным невидимым гало на всем ее пути. Когда галактики сталкиваются, они ускоряются, а вместе с ними должно ускоряться и это облако. Однако то, что увидели ученые на своей «темной» карте, несколько не соответствовало этому правилу. «По крайней мере, у одной из четырех галактик облако темной материи уже не окружало ее, а находилось сзади, на расстоянии пяти тысяч световых лет, словно бы не успевая за скоплением звезд и отставая от него все больше и больше», — осторожно пишут авторы статьи.

Это был тот самый эффект, которого так ждал Мэсси. То, что облако темной материи тормозится во время галактического столкновения, может объясняться происходящими в нем внутренними процессами, взаимодействием его частиц между собой, причем не гравитационным. И это также «может быть первым свидетельством богатой физики, управляющей темным сектором».

Таинственный заговор

Чуть-чуть приоткрыв одну из своих тайн, связанных со слабым взаимодействием, темная материя тут же задала исследователям новую загадку, погрузив их в состояние глубокой задумчивости. В конце апреля объединенная группа астрофизиков из лабораторий США, Австралии и Европы объявила о странном поведении темного сектора внутри эллиптических галактик, не укладывающемся в существующие теории.

Ученые использовали спектрограф DEIMOS, установленный на крупнейшем в мире наземном телескопе (обсерватория Кека), для того, чтобы измерить распределение скоростей звезд в ближайших крупных эллиптических галактиках и вычислить распределение их массы. И натолкнулись на странный эффект: звезды и темная материя повели себя так же, как в спиральных галактиках наподобие нашего Млечного пути. Так же, как в спиральных, круговая скорость звезд эллиптических галактик практически не зависит от расстояния до галактического центра, причем на периферии она намного выше, чем полагается по законам ньютоновской гравитации.

Для спиральных галактик, где эта закономерность была открыта сорок лет назад, дополнительное раскручивание галактических оболочек объяснялось воздействием темной материи, так что увеличение звездной скорости для эллиптических галактик было ожидаемым. Сюрпризом оказалось почти полное совпадение графиков этого увеличения для обоих типов галактик. Современные модели темной материи такого сходства не предполагают.

«То, что в спиральных и эллиптических галактиках скорости звезд примерно одинаковые вдоль всего диаметра галактического диска, означает, что звезды и темная материя “сговорились” между собой и разместились в галактике таким образом, чтобы общая масса была распределена более-менее равномерно. То есть вблизи центров галактик больше звезд, а у краев галактических дисков доминирует темная материя», — пишет руководитель исследования Микеле Капеллари (Michele Capellari) из Оксфордского университета.

Правда, может оказаться и так, что темная материя здесь ни при чем. Еще в восьмидесятых годах прошлого столетия израильский физик Мордехай Милгром (Mordehai Milgrom) выдвинул экзотическую гипотезу о том, что по мере увеличения расстояния (в галактических масштабах) ньютоновский закон всемирного тяготения выполняется все с меньшей точностью. Однако, большинство ученых скептически относится к теориям, использующим модифицированные законы Ньютона.

Охота за двусмысленными частицами

Что подразумевается под взаимодействием, отличным от гравитационного, авторы статьи не уточняют. Но вообще-то, как сегодня считается, миром управляют четыре вида взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Из них главный негравитационный кандидат в темные силы — слабое взаимодействие. Оно на много порядков сильней гравитационного, но радиус его действия ограничен размерами атомного ядра. Именно поэтому оно вступает в дело очень редко — только когда частицы сблизятся настолько, чтобы оказаться внутри этого радиуса.

Для гипотетических частиц, составляющих основу темной материи и до сих пор не обнаруженных, придумано не самое удачное название — слабо взаимодействующие массивные частицы (weakly interacting massive particles или попросту вимпы). Название не очень удачное, потому что двусмысленное. Его можно понять и как «частицы, участвующие в слабом взаимодействии», и как «частицы, взаимодействующие очень слабо». Но ученые, похоже, надеются, что в конечном счете эти два смысла объединятся. Ученые очень хотят выяснить, что же это за зверь такой — вимп. И пытаются сделать это всеми мыслимыми для современной науки способами. Задействован даже Большой адронный коллайдер. Работающие на нем физики рассчитывают, что удвоение мощности позволит обнаружить суперсимметричные частицы, одна из которых — так называемое нейтралино — может оказаться тем самым вимпом.

Суперсимметричные частицы — являются партнерами обычных частиц, их характеристики определенным образом взаимосвязаны, но они намного тяжелее. Долгое время многие физики, в том числе академик РАН Владимир Лобашев (1934 — 2011), главным кандидатом на роль вимпа считали нейтрино, подходившее почти по всем параметрам. Однако в итоге от него пришлось отказаться — слишком малая масса. А вот гипотетическое нейтралино лишено и этого недостатка. В общем, физики БАКа очень надеются к концу лета прояснить этот вопрос.

Самый же распространенный способ ловли темной материи — детекторы, установленные глубоко под землей, чтобы исключить влияние космических лучей и прочих помех, и работающие по принципу детекторов нейтрино. Их много по всему миру — в США, Европе, Японии, Китае... Результата пока нет. Время от времени данные, полученные от детекторов, приводят ученых в невероятное возбуждение, и они уже готовы лететь в Стокгольм за Нобелевской премией, но потом неизменно наступает горькое разочарование.

Если открытие команды Мэсси подтвердится, то часть этих детекторов, возможно, так и будет штамповать нулевые результаты, поскольку заложенная в их основу и очень сегодня распространенная теория «холодной темной материи», чьи частицы летают с нерелятивистскими скоростями, не предполагает наличия у вимпов какого-либо взаимодействия, кроме гравитационного.

Самая, пожалуй, перспективная установка такого типа вот-вот будет введена в строй в Канаде. Создается она в подземной лаборатории SNOLAB близ города Сэдбери, расположенной на двухкилометровой глубине в действующей цинковой шахте, где находится одна из главных нейтринных ловушек мира. По словам разработчиков, DEAP (так называется эта вимповая ловушка) будет самым чувствительным в мире прибором для поиска темной материи. Правда, она настроена как раз на медленные вимпы. И если эта установка все-таки обнаружит неуловимую темную частицу, у физиков возникнет еще один повод как следует поломать голову. Если же нет — то, возможно, придется что-то менять и в теориях и методах поиска с учетом результатов команды Мэсси.

Так или иначе, физики, раздраженные многолетними неудачами, взялись за дело всерьез. И кто знает, может быть, действительно в скором времени мы станем свидетелями обнаружения вимпов, частиц, которые многим кажутся куда более важными, чем бозон Хиггса.