У астрофизиков есть идея, которая может помочь разгадать две тайны: причину причудливого изобилия излучения сверхвысокой энергии, исходящего из центра нашей галактики, и идентичность невидимой субстанции, называемой темной материей, которая озадачила мир с момента ее открытия 50 лет назад.
У этой идеи есть супер-крутое название: гравитационные порталы. Идея состоит в том, что когда две частицы темной материи (чем бы они ни были) всасываются в один из этих порталов, они разрушают друг друга и испускают потрясающе сильные гамма-лучи. Такой подход потенциально может объяснить, почему центр Галактики, где, как считается, скрываются плотные скопления темной материи, полон гамма-лучей; и он может пролить свет на то, как темная материя ведет себя и может время от времени взаимодействовать с нормальной материей нашей Вселенной.
Более 80% материи в нашей Вселенной имеет форму, неизвестную стандартной модели физики элементарных частиц. Ученые называют ее" темной материей", потому что она не взаимодействует со светом. Первый намек на существование темной материи появился в 1970-х годах, когда астроном Вера Рубин заметила, что галактики вращаются слишком быстро-без дополнительного скрытого источника гравитации им пришлось бы распадаться.
В течение десятилетий астрономы не знали, нужно ли им изменить свое понимание гравитации, добавить во Вселенную более обычную, но действительно тусклую материю или добавить новый ингредиент. Но год за годом наблюдения за наблюдениями ограничивали выбор. Никакая теория модифицированной гравитации не может объяснить все наблюдения. И физики установили строгие ограничения на количество нормальной материи (яркой, тусклой и всего, что между ними) в космосе. Темная материя остается для объяснения быстрых галактик. Эта материя была бы частицей нового типа с какой-то неизвестной идентичностью (или идентичностями). Он не взаимодействует со светом, иначе мы бы его уже видели. Он не взаимодействует с сильным ядерным взаимодействием, которое связывает частицы материи, иначе ученые обнаружили бы его влияние в атомных экспериментах. Он может говорить о слабом ядерном взаимодействии, но он настолько слаб и недолговечен, что трудно наблюдать какие-либо отклонения в ожидаемых результатах.
Триллионы частиц темной материи могут течь через вас прямо сейчас, невидимые и бесшумные.
Тем не менее, темная материя выдает свое присутствие через гравитацию, потому что каждая форма массы и энергии во Вселенной оказывает какое-то гравитационное влияние. Таким образом, единственный верный способ изучения темной материи-это ее гравитационное взаимодействие с нормальной материей, например, движение звезд внутри галактик.
В исследовании, опубликованном 28 января в базе данных препринтов arXiv, физики предложили новую теорию, объясняющую, что такое темная материя и как она себя ведет. Но прежде чем мы погрузимся в их идею, мы должны ввести еще один ключ к этой охоте за темной материей. К этому решению можно отнести странное обилие гамма-лучей, исходящих из центра нашей галактики Млечный Путь. Гамма-лучи-это форма излучения с самой высокой энергией, и они обычно возникают только в результате некоторых очень высокоэнергетических событий, таких как превращение звезд в сверхновые. Но в центре Галактики больше гамма-лучей, чем можно было бы ожидать, учитывая, насколько редки такие катаклизмы. Итак, эта теория предполагает, что гамма-лучи могут возникать как побочный продукт высокоэнергетических электронов.
Эти высокоэнергетические электроны, которые являются своего рода частицами, известными как" лептоны", которые гораздо легче производить, чем непосредственно гамма-лучи, приходят из какого-то источника и движутся вокруг центра Галактики. Сами электроны обнаружить невозможно (они очень, очень малы), но, проходя через межзвездное пространство, они иногда могут врезаться в случайно проходящий фотон (частицу света).
Этот фотон, скорее всего, что-то безвредное и низкоэнергетическое, сталкивается с агрессивным электроном; столкновение увеличивает энергию фотона настолько, что он начинает испускать гамма-лучи, которые мы можем видеть.
Эти столкновения потенциально объясняют избыток гамма-лучей, но откуда берутся эти высокоэнергетические электроны?
Давайте подведем итог тому, что мы знаем. Во-первых, темная материя взаимодействует только через гравитацию. Два высокоэнергетических лептона, плавающих вокруг галактического центра, могут объяснить дополнительные гамма-лучи, которые мы видим там. В-третьих, поскольку наша собственная галактика имеет самую высокую плотность материи в ядре, мы думаем, что существует также большая концентрация темной материи.
Связь между этими двумя наблюдениями имеет подходящее удивительное название: лептофильные гравитационные порталы, как подробно описали Сунь Сюй-Дон и Дай Бен-Чжун из Китайской ключевой лаборатории астрономической физики частиц в своей статье arXiv. Исследование еще не было пересмотрено.
Давайте начнем с части "гравитационные порталы". Насколько мы понимаем гравитацию, она просто притягивает вещи. Земля притягивает Луну, солнце притягивает Землю, звезды в галактике притягивают друг друга и так далее. И гравитация действительно хорошо справляется с тягой. Итак, на первый взгляд, единственное, что гравитация может сделать с темной материей, - это. Привлекательность.
Но наше понимание гравитации неполно. Физика может объяснить, что гравитация действует в больших масштабах, но нет так называемой квантовой теории гравитации, которая описывает сильную гравитацию в очень малых масштабах. И в этом режиме гравитация может преподнести сюрпризы.
Другие силы природы способны постоянно разрушать, преобразовывать и создавать частицы. Например, слабое ядерное взаимодействие может превратить протон в нейтрон, вызывая радиоактивный распад. Частица и ее античастица могут соединяться с помощью электромагнитной силы, аннигилируя друг друга во взрыве излучения.
Так что, возможно, гравитация в крайних случаях может объединить две частицы темной материи и уничтожить их, превратив их во что угодно, на самом деле.
И согласно теоретической модели, изложенной исследователями, вполне возможно, что эти частицы темной материи могут превратиться в лептоны. Отсюда и "лептофильная" часть названия, что означает "лептоноподобный".
Согласно новой теории, частицы темной материи иногда могут аннигилировать друг с другом посредством случайных гравитационных взаимодействий. Эти случайные взаимодействия известны на физическом жаргоне как "гравитационные порталы", потому что они позволяют частицам взаимодействовать только через гравитацию. Продукт столкновения-электрон высокой энергии. Эти взаимодействия будут гораздо более распространены в центре Галактики, где плотность темной материи, вероятно, самая высокая. Затем эти электроны будут двигаться дальше, в конечном итоге попадая в низкоэнергетический фотон и превращаясь в гамма-луч, вызывая избыток, который мы наблюдаем.
Да, эта идея притянута за уши. Но учитывая, что физики пребывают в неведении, когда речь заходит об идентичности темной материи, новые идеи всегда приветствуются. И эта теория была специально разработана, чтобы соответствовать наблюдениям гамма-лучей. Но как только эта дверь откроется, позволяя частицам темной материи трансформироваться в обычную материю (в данном случае лептоны), можно будет провести больше теоретической работы, чтобы увидеть, есть ли другие способы проверить теорию.
Напомним, что ранее сообщалось, что физики открыли новую экзотическую частицу.
