Темный электромагнетизм помог темной материи сколлапсировать

Темная материя может формировать сложные объекты, аналогичные звездам или карликовым галактикам, если предположить, что ее частицы теряют энергию из-за гипотетического темного электромагнитного взаимодействия. Физики из университета Ратгерса исследовали этот механизм и показали, что он не противоречит существующей теории холодной темной материи, поскольку масса образуемых объектов не превышает определенной величины. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics.

Несмотря на то, что темной материи в нашей Вселенной примерно в пять раз больше, чем барионной, обычная материя гораздо сложнее своего темного аналога. Различные экспериментальные факты — например, кривые вращения или гравитационное линзирование на карликовых галактиках — указывают, что на масштабах более миллиарда масс Солнца темная материя образует сферически симметричные «гало», окружающие галактики. Такая форма должна возникать под действием одних только гравитационных сил (модель CDM, Cold Dark Matter). Конечно, некоторые теории предсказывают и более сложные структуры, состоящие из темной материи — например, первичные черные дыры или аксионные звезды, — однако встречаться такие объекты должны сравнительно редко.

С другой стороны, обычная, барионная материя повсеместно образует объекты с гораздо более сложной структурой — начиная от спиральных галактик, похожих на Млечный Путь, и заканчивая звездами и планетами. Это обусловлено тем, что барионы теряют часть своей энергии благодаря электромагнитному взаимодействию и глубоко «проваливаются» в гравитационный потенциал. В свою очередь, даже в моделях темной материи с взаимодействием частицы не способны терять энергию, а могут только перераспределять ее между собой. Если бы это было не так, форма гало, окружающих галактики, сильно бы исказилась, и астрономы бы это увидели.

Тем не менее, механизм охлаждения барионной материи хорошо работает только в определенном диапазоне масс коллапсирующих объектов. При увеличении массы объекта растет его гравитационная энергия, а следовательно, увеличивается энергия частиц, входящих в его состав (теорема вириала). Из-за этого они становятся менее чувствительны к потерям энергии на электромагнитное излучение, и коллапс осложняется. Интенсивность потерь обратно пропорциональна корню из вириальной температуры. В результате образование сложных структур происходит только для объектов с массой не больше 10¹² масс Солнца, а на бо́льших масштабах скопление галактик представляет собой сферически симметричное облако с вложенными в него галактиками.

Физики Мэттью Бакли (Matthew Buckley) и Энтони ДиФранцо (Anthony DiFranzo) использовали эту лазейку, чтобы заставить темную материю терять энергию и формировать сложные структуры, но оставаться однородной на больших масштабах. Для этого они предложили простую модель, в которой частицы темной материи оказываются заряжены относительно новой калибровочной группы U(1)_x — гипотетическое темное электромагнитное взаимодействие. При этом константа связи нового взаимодействия равна α_D, а частицы темной материи имеют одинаковый «темный заряд», но разную массу. Для простоты ученые считали, что масса более тяжелой частицы много больше массы протона.

В Стандартной модели возможно четыре механизма, отвечающих за потерю энергии с помощью электромагнитного излучения: обратное комптоновское рассеяние на фотонах реликтового излучения, тормозное излучение, рассеяние на атомах водорода и возбуждение атома водорода при столкновении со свободным электроном. Поскольку температура гипотетического темного реликтового излучения должна быть значительно ниже, чем у обычного (из-за ограничений на степени свободы света в ранней Вселенной), основным механизмом охлаждения для заряженной темной материи будет выступать обратное комптоновское рассеяние. Учитывая этот факт, ученые рассчитали, какую максимальную массу могут иметь сложные объекты из темной материи.

Оказалось, что эта масса существенно зависит от параметров модели — константы связи α_D, массы более тяжелой частицы m_H и более легкой m_L. Тем не менее, эти параметры ограничены некоторыми наблюдениями за темной материей. Например, отношение α_D² / m_H³ не может превышать 10⁻¹¹ гигаэлектронвольт в минус третьей степени. Кроме того, введение темного заряда в теорию приводит к возникновению дополнительных степеней свободы реликтового излучения и возникновению темных акустических осцилляций, аналогичных барионным осцилляциям. Это накладывает ограничения на минимальную массу гало темной материи. В результате ученые определили, при каких параметрах может происходить формирование сложных объектов в предложенной ими модели.

По оценкам физиков, в зависимости от параметров теории в окружающем Млечный Путь гало могут содержаться образования из темной материи с массой, сравнимой со сверхмассивными звездами или карликовыми галактиками. Впрочем, такие структуры могут составлять не более двух процентов от суммарной массы гало.

Стоит отметить, что ученые не первыми предложили использовать темный электромагнетизм в качестве механизма охлаждения, который приводит к формированию сложных объектов из темной материи. Однако, по словам авторов, они первыми показали, что такой механизм эффективен только при определенных значениях массы коллапсирующей темной материи.

На прошлой неделе мы писали о сравнительно простой схеме эксперимента, направленной на поиск темных фотонов — переносчиков темного электромагнетизма — с массой от одного до двадцати мегаэлектронвольт. Новая схема основана на переходах между возбужденными состояниями ядра бериллия-8, которые приводят к излучению обычного или темного фотона.

Дмитрий Трунин