Млечный Путь № 3 2021

Все попытки объяснить темное вещество с помощью известной физики терпели неудачу, поэтому Танедо и его сотрудники разрабатывают экзотические модели, которые могут лучше соответствовать наблюдениям. Они спросили: что, если темное вещество взаимодействует само с собой через континуум сил, действующих в пространстве с большим количеством измерений, чем наши обычные три? Это звучит дико, но их модель может лучше объяснить поведение звезд в маленьких галактиках, чем традиционные простые модели темного вещества. Так что стоит попробовать.

Маленькие галактики, большие проблемы

Хотя космологи не знают, что такое темное вещество, им известны некоторые его свойства. Все наблюдения показывают, что темное вещество состоит из частиц нового типа, ранее неизвестных физике. Эти частицы есть в каждой галактике, составляя более 80% массы. Эти частицы не должны сильно взаимодействовать со светом, если вообще могут с ним взаимодействовать (иначе мы бы уже видели это в астрономических наблюдениях). И они не должны очень сильно взаимодействовать с нормальным веществом, если вообще с ним взаимодействуют (иначе мы бы увидели это в экспериментах на коллайдере).

Объединив эти свойства, космологи могут построить сложные компьютерные модели эволюции крупных структур во Вселенной. Эти симуляции обычно соответствуют наблюдениям с одной интересной оговоркой. Упрощенная картина темного вещества предсказывает, что небольшие галактики должны иметь очень высокую плотность темного вещества в своих ядрах (известную космологам как модель "куспида"), но наблюдения вместо этого показывают, что распределение плотности темного вещества относительно плоское, поэтому вещество должно быть равномерно распределенными по маленьким галактикам ("модель ядра"). Эта проблема была занозой в исследованиях темного вещества на протяжении десятилетий.

Успешная модель должна объяснять поведение малых и больших галактик, наряду со всеми другими наблюдениями. Одна такая модель называется самовзаимодействующим темным веществом, и, как следует из названия, предсказывает, что темное вещество иногда взаимодействует само с собой, а это означает, что частицы темного вещества могут иногда отскакивать друг от друга или даже аннигилировать друг с другом. Это самовзаимодействие сглаживает области высокой плотности темного вещества.

Суть проблемы

Проблема решена? Не совсем: модели самовзаимодействующего темного вещества имеют проблемы с сопоставлением с другими наблюдениями, такими, как линзирование галактик (когда гравитация огромного количества материи искажает и усиливает свет от определенных галактик позади наблюдаемой галактики) и рост галактик в ранней Вселенной. Однако эти все еще недостаточно эффективные модели основаны на четырех известных физических взаимодействиях. Электроны взаимодействуют друг с другом посредством электромагнитной силы. Кварки взаимодействуют друг с другом посредством сильного взаимодействия. И так далее.

Но если просто экспортировать известную физику в сферу темного вещества не удается, то, возможно, пришло время взглянуть на совершенно новые силы. Танедо и его сотрудники пытались сделать именно это и описали свою работу в статье, опубликованной в Journal of High Energy Physics. Их новая модель значительно расширяет возможные модели взаимодействующего темного вещества, позволяя вступить в игру неизвестным силам.

"Цель моей исследовательской программы - расширить идею разговора "темной материи с темными силами, - сказал Танедо. - За последнее десятилетие физики пришли к пониманию того, что управлять взаимодействием темного вещества могут скрытые силы. Они могут полностью переписать правила того, как следует искать темное вещество".

Подход Танедо включает в себя две удивительные особенности. Во-первых, вместо единой силы, которая связывает частицы темного вещества, модель включает бесконечный спектр новых сил, "работающих" вместе. Во-вторых, для модели требуется дополнительное измерение Вселенной, то есть четырехмерное пространство.

Мышление вне Вселенной

Бесконечный спектр сил, каждая из которых представлена новой частицей с разной массой, обеспечивает большую гибкость при построении теории взаимодействия частиц темной материи. И хотя в мире повседневной физики нет аналога такой теории, астрофизики уже знают, что темное вещество не обязательно действует по обычным правилам.

В теориях, объясняющих известную физику, когда две частицы взаимодействуют друг с другом, они делают это, обмениваясь одним типом частиц, которые и ответственны за взаимодействие. Например, два электрона отскакивают друг от друга, обмениваясь фотонами, носителями электромагнитной силы. Новая модель Танедо заменяет это единичное взаимодействие континуумом или спектром взаимодействий, работающих вместе, чтобы взаимодействие произошло.