Темная материя холодная, теплая или горячая?

Ответ связан с ролью темной материи в формировании космоса.

Об этом рассказывают OstanniPodii.com со ссылкой на журнал "Симметрия", который является совместным изданием Национальной лаборатории ускорителя Ферми и Национальной лаборатории ускорителя SLAC, и финансируется Министерством энергетики США.

Через полвека после того, как Вера Рубин и Кент Форд подтвердили, что для объяснения вращения галактик нужна форма невидимой материи, которую теперь называют темной – свидетельства её существования стали преобладающими.

Хотя известно, что она взаимодействует с обычной материей только с помощью гравитации, и существует такое огромное количество темной материи – 85% всей материи во Вселенной, – что она играет ключевую роль за кадром в формировании всего того, что мы можем увидеть, от нашей галактики Млечный Путь до тонких нитей газа, связывающих галактики на огромных расстояниях.

"Мы считаем, что она существует, потому что этому есть доказательства во многих, многих отношениях", - говорит Кеворк Абазаджян, физик-теоретик и астрофизик из Калифорнийского университета в Ирвайне.

Существует много представлений о том, какую форму может иметь темная материя, от объектов размером с планету, которые называются MACHO, до отдельных частиц, таких как WIMP – массивных частиц со слабым взаимодействием размером примерно с протон, – и даже более мелких вещей, таких как аксионы и стерильные нейтрино.

В 1980-х годах ученые придумали способ осмыслить эту растущую коллекцию: они начали классифицировать предложенных кандидатов на частицы темной материи как холодные, теплые или горячие. Эти категории основаны на том, как быстро каждый тип темной материи переместился бы через раннюю Вселенную – скорость зависит от его массы – и насколько горячим было окружения, когда началось его существование.

Легкие, быстрые частицы известны как горячая темная материя; тяжелые, медленные – холодная темная материя; а тепла темная материя занимает промежуточное положение.

Таким образом, WIMP-частицы холодные, стерильные нейтрино теплые, а реликтовые нейтрино из ранней Вселенной горячие. (Аксион - это особый случай – одновременно легкие и чрезвычайно холодные. Мы к ним вернёмся позже.)

Почему их скорость так важна?

"Если частица темной материи легче и быстрее, она может за определенное время пролететь большее расстояние, и она сгладит любую структуру, которая уже существует на пути", - говорит Абазаджян.

С другой стороны, более медленные, более холодные формы темной материи помогли бы построить структуру, и, судя по тому, что мы знаем и видим сегодня, она должна была быть составной смеси.

Создание галактик

Хотя существуют теории о том, когда и как сформировался каждый тип кандидата на темную материю, единственное, в чем ученые уверены, это то, что темная материя уже была примерно через 75 000 лет после Большого взрыва. Именно тогда материя начала господствовать над излучением, и начали образовываться маленькие зачатки структур, говорит физик-теоретик из Стэнфорда Питер Грэм.

Большинство типов частиц темной материи были бы созданы в результате столкновений между другими частицами в горячем густом супе младенческой Вселенной, примерно так же, как столкновения высокоэнергичных частиц в таких местах, как Большой адронный коллайдер, вызывают появление новых экзотических типов частиц. По мере того как Вселенная расширялась и охлаждалась, частицы темной материи оказались бы горячими, теплыми или холодными – и на самом деле их могло быть больше одного типа.

Ученые описывают их свободно «движущимися потоком» по Вселенной, хотя этот термин немного вводит в заблуждение, говорит Абазаджян. В отличие от листьев, плывущих по реке и скоординировано следующих в одном направлении, "Эти вещи не просто находятся в одном месте, а потом в другом", - говорит он. "Они везде и направляются во всех направлениях".

Двигаясь потоком, каждый тип темной материи должен оказывать особое влияние на рост структуры по дороге – или добавляя ей комковатость, а следовательно, и способствуя построению галактик, или препятствуя их росту.

Холодная темная материя, такая как WIMP, могла бы быть строителем комков. Она бы двигалась довольно медленно, чтобы слипаться и создать гравитационные колодцы, которые захватывали рядом расположенные частицы материи.

Горячая темная материя, с другой стороны, была бы комко-сглаживательный, проносящейся так быстро, что могла бы игнорировать эти гравитационные колодцы. Если бы вся темная материя была горячей, ни один из этих зачатков не мог бы перерасти в более крупные структуры, говорит Сильвия Пасколи, физик-теоретик из Болонского университета в Италии. Вот почему ученые сейчас считают, что горячие частицы темной материи, такие как реликтовые нейтрино из первых дней существования космоса, не могли составлять более чем малую долю темной материи в целом.

Несмотря на их незначительный вклад, Пасколи добавляет: "Я говорю, что эти реликтовые нейтрино пока является единственным известным компонентом темной материи. Они имеют важное влияние на эволюцию Вселенной".

Можно было бы подумать, что теплая темная материя была бы лучшей темной материей, начиняемой Вселенную с тарелки Златовласки только правильными структурами. Стерильные нейтрино считаются лучшими кандидатами в этой категории, и теоретически они действительно могут представлять подавляющее большинство темной материи.

Но большинство параметров интервала – наборов условий – там, где они могли бы существовать, были исключены, говорит Абазаджян, который как аспирант исследовал, как конкретные типы нейтринных осцилляций в ранней Вселенной могли привести к образованию стерильно нейтринной темной материи.

Хотя эти же осцилляции могут происходить и сегодня, говорит он, вероятность того, что обычное нейтрино превратится в стерильное через стандартные осцилляции в вакууме пространства, считается очень малой, с оценками от 1 на 100 тыс. до 1 на 100 трлн.

"Вы должны иметь очень хороший механизм подсчета, чтобы подсчитать до 100 триллионов попаданий в свой детектор и не пропустить ни одного попадания стерильного нейтрино", - говорит Абазаджян.

Однако, существует несколько экспериментов, пытающиеся это сделать, используя новые подходы, которые не полагаются на прямые попадания.

Еще есть аксион.

В отличие от других кандидатов на темную материю, аксионы были бы чрезвычайно лёгкими – настолько лёгкими, что их лучше описать как волны, чьи связанные с ними поля могут распространяться на километры, – и очень холодными, говорит Грэм. Они настолько слабо связаны с другими формами материи, что бешеные столкновения частиц в термальной ванне ранней Вселенной вряд ли привели бы к их возникновению.

"Они были бы произведены иначе, чем другие кандидаты на темную материю", - говорит Грэм. "Даже если в то время Вселенная была очень горячей, аксионы были бы очень холодными при рождении и оставались бы холодными навсегда, а это значит, что они абсолютно холодная темная материя".

Несмотря на то, что аксионы очень легкие, по словам Грэма, "поскольку они существуют при близкой к абсолютному нулю температуре, где прекращается все движение, они по сути не двигаются. Они вроде такая себе призрачная жидкость, и все остальное движется сквозь нее".

В поисках темной материи всех видов

Некоторые ученые считают, что для учета всего, что мы видим во Вселенной, понадобится не один тип темной материи.

И в течение последних нескольких лет, когда эксперименты, направленные на выявление WIMP и производство частиц темной материи через столкновения на Большом адронном коллайдере, пока не дали результата, поиск темной материи расширился. Распространению идей по поиску способствовали технологические достижения и умные подходы, которые могли бы вынудить перестать прятаться намного более лёгкие и даже экзотические частицы темной материи.

Некоторые из этих усилий используют именно ту комковатость, которую создала темная материя.

Экспериментатор из Калифорнийского университета в Ирвайне Симона Мурджа возглавила группу, которая искала признаки столкновений между WIMP и их античастицами с помощью космического гамма-телескопа Ферми во время постдокторантской работы в Национальной лаборатории ускорителя SLAC Министерства энергетики США.

Теперь она присоединилась к международной группы ученых, которые проведут масштабное исследование южного неба из обсерватории Веры Рубин в Чили с помощью крупнейшей в мире цифровой камеры, строящейся в SLAC. Одна из задач, поставленная перед собой этим опросом, – это намного лучше понять распределение темной материи во Вселенной, посмотрев, как она выгибает свет от галактик, которые мы можем видеть.

Ожидается, что камера сделает изображения около 20 миллиардов галактик в течение 10 лет, и из этих снимков ученые надеются сделать вывод о фундаментальной природе сформировавшей их темной материи.

"Мы не только хотим знать, что темная материя существует", - говорит Мургия. "Мы хотим понять космологию, но мы также хотим знать, что такое темная материя".

! Читайте еще интересные новости о космосе на сайте или следите за ними на Facebook.