Ученые смоделировали на суперкомпьютере двумерную проекцию космической паутины. Так физики нашли новое подтверждение того, что темная материя может состоять из темных фотонов. «Хайтек» рассказывает главное.
Темная материя может состоять из сверхлегких темных фотонов, которые нагрели нашу Вселенную. К такому выводу пришли авторы нового исследования. Результаты опубликованы в журнале Physical Review Letters.
В чем особенность новой гипотезы?
Особенность новой гипотезы в том, что она прекрасно согласуется с наблюдениями, сделанными спектрографом космического происхождения (COS) на борту космического телескопа «Хаббл». Он изучает «космическую паутину», сложную и разреженную сеть нитей между галактиками, которая заполняет космос.
Какие данные собрал спектрограф?
Согласно данным, собранным COS, космические межгалактические нити горячее, чем предсказывало гидродинамическое моделирование стандартной модели формирования структуры.
Двухмерная проекция космической паутины, полученная в результате моделирования на суперкомпьютере.
Предоставлено: д-р Эвальд Пухвейн и сотрудничество Sherwood-Relics
Поскольку темные фотоны могут теоретически преобразовываться в фотоны низкой частоты и нагревать космические структуры, они дополняют новую экспериментальную информацию, объясняют авторы исследования. Его провели сотрудники SISSA в сотрудничестве с исследователями из Тель-Авивского, Ноттингемского и Нью-Йоркского университетов.
Что такое темные фотоны?
Темные фотоны — это новые гипотетические элементарные частицы. Их считают переносчиками нового фундаментального взаимодействия, «посредником» между обычной и темной материями. Согласно гипотезе, они взаимодействуют именно благодаря этим частицами.
Точно также фотоны являются носителями силы для электромагнетизма. Однако, в отличие от них, темные фотоны могут иметь массу. В частности, сверхлегкий темный фотон — с массой всего на двадцать порядков меньше массы электрона — является хорошим кандидатом на роль темной материи.
Представление художника о движении фотонов. Предоставлено: Robert Couse-Baker
Также к темному фотону причисляют любую новую силу природы, которая возникает в рамках теоретического расширения Стандартной модели и ведет себя как электромагнитное взаимодействие. Часто в таких моделях присутствует нестабильный или обладающий ненулевой массой темный фотон. Он быстро распадается на другие частицы, например, электрон-позитронные пары. Кроме того, темный фотон, согласно гипотезе, в состояниями напрямую взаимодействовать с известными частицами, например, электронами или мюонами. Но только в том случае, если эти частицы несут заряд, связанный с вышеуказанным новым взаимодействием.
Как темные фотоны связаны с космической паутиной?
Ожидается также, что темные и обычные фотоны будут смешиваться подобно различным типам нейтрино. Это позволит им преобразовываться в низкочастотные фотоны. Они, в свою очередь, будут нагревать космическую паутину. Однако, в отличие от других механизмов нагрева, основанных на астрофизических процессах, таких как звездообразование и галактические ветры, этот процесс более рассеян и эффективен даже в регионах космоса с низкой плотностью.
Отсутствующий элемент
Обычно астрофизики использовали космические нити, чтобы исследовать мелкомасштабные свойства темной материи. Однако в новом исследовании ученые впервые использовали данные межгалактической среды с низким красным смещением в качестве калориметра. Цель — проверить, всех ли процессов нагрева, которые астрономы наблюдали ранее, достаточно, чтобы воспроизвести полученные на COS данные.
одно из самых массивных известных скоплений галактик, RX J1347.5–1145, центр которого виден здесь в темной «дыре» в наблюдениях ALMA. Источник: ALMA, CC BY 4.0, via Wikimedia Commons
Теория относительности Эйнштейна утверждает, что часы, расположенные ближе к большому телу (например, к Земле), будут идти медленнее, чем часы, находящиеся подальше, — например, в космосе. Это явление, известное как гравитационное красное смещение, ранее уже было подтверждено исследователями.
В итоге они обнаружили, что это не так: есть какой-то отсутствующий элемент. Поэтому ученые и предположили, что все дело в темных фотонах.
Что дальше?
В рамках нового исследования физики определили массу и смешивание темного фотона с фотоном Стандартной модели. Она необходима, чтобы устранить несоответствия между наблюдениями и моделированием. В будущем этот эксперимент приведет к дальнейшим теоретическим и наблюдательным исследованиям, чтобы изучить возможность того, что темный фотон может составлять темную материю.