Излучение первых звёзд заставило тёмную материю проявить себя

По мнению авторов, ультрафиолетовые лучи первых звёзд "вывели тёмную материю из сумрака".
Иллюстрация CfA/M. Weiss.

Вопреки мнению большинства специалистов, тёмная материя может иметь электрический заряд. Такое предположение позволяет объяснить странные наблюдательные данные, недавно полученные радиоастрономами, и не противоречит никаким другим известным фактам. К подобному выводу пришли Джулиан Муньос (Julian Muñoz) и Абрахам Лёб (Abraham Loeb) из Гарвардского университета. Теоретическая модель авторов изложена в научной статье, опубликованной в журнале Nature.

"Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) подробно рассказывали о том, что такое тёмная материя и почему эксперты уверены в её существовании. Пока учёным не удалось достоверно обнаружить никакого её воздействия на видимое вещество, кроме гравитационного. Тем не менее человечество не теряет надежды. Физики строят большие детекторы, а астрономы зорко следят за космосом, надеясь, что загадочная субстанция, которая по массе превосходит всё "нормальное" вещество в пять раз, проявит себя чем-то кроме притяжения.

На сей раз возможное свидетельство негравитационного воздействия тёмной материи на обычную было обнаружено в наблюдательных данных о далёкой эпохе, которую специалисты поэтично называют космическим рассветом. Это время образования первых звёзд.

Когда Вселенная впервые озарилась звёздным светом, доподлинно неизвестно. Астрономы полагают, что это произошло через 200 миллионов лет после Большого взрыва или ещё раньше (напомним, что Вселенной на данный момент 13,7 миллиарда лет). Однако даже о событиях, происходящих в столь древние времена, можно кое-что сказать, исходя из законов физики.

В частности, теоретики давно пришли к выводу, что в спектре реликтового излучения в те далёкие времена должен был образоваться "провал". Дело в том, что вспыхнувшие светила испускали много ультрафиолета. Он воздействовал на атомы межзвёздного водорода, меняя частоты, на которых это вещество поглощало излучение. В результате газ начал "глотать" реликтовые фотоны. Поглощённая энергия разогревала межзвёздный водород.

В марте 2018 года научная группа во главе с Джуддом Боуманом (Judd Bowman) из Аризонского университета опубликовала в журнале Nature статью. Исследователи заявляли, что обнаружили тот самый провал в спектре реликтового излучения. Но вот странность: судя по их наблюдениям, температура водорода оказалась вдвое ниже, чем ей было положено по расчётам теоретиков.

Муньос и Лёб предложили этому факту собственное объяснение. По их мнению, всё дело в тёмной материи. Взаимодействуя с газом, она охладила его, отобрав лишнюю энергию.

Однако для такого фокуса этим загадочным частицам понадобился бы электрический заряд. Ведь во Вселенной, насколько известно физикам, есть лишь четыре вида взаимодействия: сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное.

Первые два проявляются лишь на микроскопическом уровне, например, в ядерных реакциях. Если бы тёмная материя столь охотно вступала в такие реакции с обычным веществом, чтобы охладить межзвёздный газ, её давно обнаружили бы детекторы. Гравитационное воздействие тоже не способно вот так отобрать у водорода энергию. Остаётся только электромагнитное, а для него нужен электрический заряд.

Однако, будь частицы тёмной материи способны к электромагнитному взаимодействию, разве мы не обнаружили бы это раньше? Ведь тогда, помимо прочего, на её распределение в пространстве влияли бы межзвёздные магнитные поля, да и сама она создавала бы такие поля. Но этого астрономы не наблюдают.

На это авторы отвечают, что в их модели заряд имеет лишь менее 1% частиц тёмной материи. Вернее, заряжены все, но почти все объединены в своеобразные "атомы", нейтральные как целое. Так положительно заряженный протон и отрицательно заряженный электрон составляют вместе электрически нейтральный атом водорода.

Да и заряд у частиц тёмной материи, по расчётам исследователей, невелик: он в миллион раз меньше, чем у электрона. А вот масса частиц довольно солидна: от одной до ста масс последнего.

"Такие крошечные заряды невозможно наблюдать даже с помощью крупнейших ускорителей частиц", – объясняет Лёб в пресс-релизе исследования.

Следует также учесть, что взаимодействие между заряжённой тёмной материей и обычным веществом тем эффективнее, чем ниже температура последнего. И именно в эпоху космического рассвета межзвёздный газ был холоднее, чем когда-либо в последующей истории Вселенной. Потом он нагрелся из-за рентгеновского излучения материи, падающей в первые чёрные дыры, и воздействие загадочной субстанции перестало быть ощутимым.

Все эти предположения позволяют объяснить, как тёмной материи удаётся быть электрически заряженной и при этом демонстрировать это свойство лишь в таком экзотическом процессе, как охлаждение межзвёздного водорода в эпоху космического рассвета.

Разумеется, предложенная интерпретация наблюдательных данных не является единственно возможной. Может оказаться, что Боуман и коллеги обнаружили следы какого-нибудь другого явления. Но загадка тёмной материи так будоражит умы исследователей, что они порой готовы хвататься как за соломинку за любой странный наблюдательный результат.

"Природа тёмной материи – одна из самых больших загадок в науке, и нам нужно использовать любые связанные с ней новые данные для её решения", – поясняет свою позицию Лёб.

Напомним, что "Вести.Наука" ранее писали о том, как астрономы обнаружили возможные следы тёмной материи в рентгеновском излучении галактик, и о планах использовать звёзды в качестве спидометров для этой субстанции.

Сегодня