Темная материя — «инопланетяне» для астрофизиков?

При всем нашем понимании законов физики и успехах Стандартной модели и общей теории относительности, во Вселенной есть ряд наблюдаемых явлений, которые не получается объяснить. Вселенная полна загадок, начиная от звездообразования и заканчивая высокоэнергетическими космическими лучами. Хотя мы постепенно открываем для себя космос, мы до сих пор не знаем всего. Например, мы знаем, что темная материя существует, но не знаем, каковы ее свойства. Значит ли это, что мы должны приписывать проявлениям темной материи все неизвестные эффекты?

Загадок на тему темной материи столько же, сколько и доказательств ее существования. Но винить темную материю во всех загадочных проявлениях космоса не только близоруко, но и неправильно. Так бывает, когда у ученых иссякают хорошие идеи.

Две яркие большие галактики в центре скопления Кома, каждая больше миллиона световых лет в размерах. Галактики на окраинах указывают на существование большого ореола темной материи по всему скоплению.

Темная материя имеется во Вселенной повсюду. Впервые к ней обратились в 1930-х годах, чтобы объяснить быстрое движение отдельных галактик в галактических скоплениях. Произошло это потому, что всей обычной материи — вещества, состоящего из протонов, нейтронов и электронов, — недостаточно, чтобы объяснить общее количество гравитации. Сюда входят звезды, планеты, газ, пыль, межзвездная и межгалактическая плазма, черные дыры и все остальное, что мы можем измерить. Линии доказательств, поддерживающих темную материю, многочисленны и убедительны, как отмечает физик Итан Зигель.

Темная материя необходима для объяснения:

• вращательных свойств отдельных галактик,
• формирования галактик разных размеров, от гигантских эллиптических до галактик размером с Млечный Путь и крошечных карликовых галактик рядом с нами,
• взаимодействия между парами галактик,
• свойств скоплений галактик и галактических скоплений на больших масштабах,
• космической сети, включая ее нитевидную структуру,
• спектр флуктуаций космического микроволнового фона,
• наблюдаемые эффекты гравитационного линзирования далеких масс,
• наблюдаемое разделение между эффектами гравитации и присутствием обычной материи в столкновениях галактических скоплений.

И в небольших масштабах отдельных галактик, и в масштабах всей Вселенной темная материя необходима.

Если поместить все это в контекст остальной космологии, мы считаем, что каждая галактика, включая нашу собственную, содержит массивное диффузное гало темной материи, окружающее ее. В отличие от звезд, газа и пыли в нашей галактике, которые находятся по большей части в диске, гало темной материи должно быть сферическим, поскольку в отличие от обычной (на основе атомов) материи, темная материя не «сплющивается», когда вы сжимаете ее. Также темная материя должна быть плотнее у галактического центра и простираться в десять раз дальше, чем звезды самой галактики. Наконец, должны быть небольшие комки темной материи в каждом гало.

Чтобы воспроизвести полный набор наблюдений, перечисленных выше, а также другие, темная материя не должна обладать никаким свойствами, кроме следующих: она должна иметь массу; она должна взаимодействовать гравитационно; она должна медленно двигаться относительности скорости света; она не должна сильно взаимодействовать посредством других сил. Всё. Любые другие взаимодействия сильно ограничиваются, но не исключаются.

Почему же всякий раз, когда производится астрофизическое наблюдение с избытком обычной частицы определенного типа — фотонов, позитронов, антипротонов — люди первым делом говорят о темной материи?

В начале этой недели команда ученых, изучающая источники гамма-излучения вокруг пульсаров, опубликовала свои результаты в Science. В своей работе они попытались лучше понять, откуда взялся наблюдаемый нами избыток позитронов. Позитроны, антиподы электронов, обычно рождаются несколькими способами: при разгоне обычных частиц до достаточно высоких энергий, при столкновении с другими частицами вещества и с производством электрон-позитронных пар по формуле Эйнштейна E = mc². Мы создаем такие пары в ходе физических экспериментов и можем наблюдать создание позитрона астрофизически, как напрямую, при поисках космических лучей, так и косвенно, при поиске энергетической сигнатуры электрон-позитронной аннигиляции.

Эти астрофизические позитронные сигнатуры встречаются вблизи галактического центра, ориентированные на точечные источники, такие как микроквазары и пульсары, расположенные в загадочном регионе нашей галактике, известном как Великий Аннигилятор, и в части диффузного фона, происхождение которого неизвестно. Одно известно наверняка: мы видим больше позитронов, чем ожидаем увидеть. И об этом известно давно. PAMELA это измерила, «Ферми» это измерил, AMS на борту МКС это измерил. Совсем недавно обсерватория HAWC измерила чрезвычайно высокоэнергетические, ТэВ-уровня гамма-лучи и показала, что это сильно разогнанные частицы, поступающие от пульсаров среднего уровня. Но, к сожалению, этого недостаточно, чтобы объяснить наблюдаемый излишек позитронов.

По какой-то причине с каждым измерением излишка позитронов, с каждым наблюдением астрофизического источника, который его не объясняет, нарратив перетекает в «мы не можем его объяснить, поэтому виновата темная материя». И это плохо, потому что есть много возможных астрофизических источников, не требующих ничего экзотического, например:

• вторичное производство позитронов и гамма-лучей другими частицами,
• микроквазары или что-то еще, кормящее черные дыры,
• очень юные или очень старые пульсары, магнетары,
• останки сверхновых.

Этот список не окончательный, но представляющий несколько примеров того, что могло бы создавать этот излишек.

Многие работающие в этой области делают выбор в пользу темной материи, потому что будет прорывом, если темная материя уничтожает и производит гамма-лучи и частицы обычной материи. Это был бы сценарий мечты для астрофизиков-охотников за темной материей. Но принятие желаемого за действительное никогда не приводило к крупным открытиям. И хотя темная материя чаще всего представляется объяснением излишка позитронов, это не более вероятно, чем инопланетяне, объясняющие звезду Табби.

Обратившись за объяснениями к Бренде Дингус, главному исследователю HAWC, Итан Зигель получил следующий комментарий:

«Несомненно, есть и другие источники позитронов. Но позитроны не уходят далеко от своих источников, и поблизости не так-то много источников. Два лучших кандидата были обнаружены HAWC, и теперь мы знаем количество позитронов, которые они производят. Мы также знаем, как эти позитроны диффундируют от своих источников; медленнее, чем ожидалось. Хотя мы подтвердили источники позитронов поблизости, мы открыли, что позитроны очень медленно уходят от места своего происхождения, а значит не создают излишек позитронов на Земле. Исключая одну возможность, мы делаем другие возможности более вероятными. Впрочем, это не значит, что позитроны ДОЛЖНЫ исходить из темной материи. Мы не подразумеваем это».

Весьма замечательно, что позитроны в данных HAWC объясняют только 1% позитронов, наблюдаемых в других экспериментах, указывая на что-то еще в качестве виновника торжества. Когда производится наблюдение, расходящееся с нашими традиционными идеями, как с излишком астрофизических позитронов, не стоит исключать, что в деле может быть замешана темная материя. Но намного более вероятно, что другие астрофизические процессы объясняют эти эффекты. Когда в науке появляется загадка, все хотят революции, но чаще всего получают нечто заурядное.