Тъмната материя може да бъде дори по-странна, отколкото някой е предполагал, казват космолозите, които предполагат, че това мистериозно вещество, което представлява над 80% от масата на Вселената, може да взаимодейства със себе си.
„Живеем в океан от тъмна материя, но въпреки това знаем много малко за това, което би могло да бъде“, заяви Флип Танедо, асистент по физика и астрономия в Калифорнийския университет в Ривърсайд.
Всеки опит да се обясни тъмната материя с помощта на известната физика е кратък и затова Танедо и неговите сътрудници разработват екзотични модели, които биха могли да съответстват по-добре на наблюденията.
Те зададоха въпрос: Ами ако тъмната материя взаимодейства сама със себе си чрез континуум от сили, действащи в пространство с повече измерения от обичайните ни три? Звучи налудничаво, но техният модел е в състояние да обясни по-добре поведението на звездите в малките галактики, отколкото традиционните, прости модели с тъмна материя. Така че въпросът си заслужава.
Малки галактики, големи проблеми
Въпреки че космолозите не познават идентичността на тъмната материя, те знаят някои от нейните свойства. Всички наблюдения показват, че тъмната материя е направена от някакъв нов вид частица, непознат досега на физиката. Тази частица облива всички галактики, което представлява повече от 80% от тяхната маса. Тази частица очевидно не взаимодейства много със светлината, ако изобщо взаимодейства, иначе досега щяхме да я видим при астрономическите наблюдения. И не взаимодейства много с нормалната материя, ако изобщо взаимодейства, в противен случай щяхме да я видим в експериментите с удар на частици.
Вземайки тези свойства заедно, космолозите са в състояние да изградят сложни компютърни симулации на еволюцията на големи структури във Вселената. Тези симулации обикновено съвпадат с наблюденията, но с една интересна забележка. Тази опростена картина на тъмната материя предсказва, че малките галактики трябва да имат много висока плътност на тъмна материя в ядрата си (известна на космолозите като модела „връх“), но наблюденията вместо това показват, че плътността на тъмната материя е относително равна, така че нещата трябва да бъдат равномерно разпределени в малките галактики (известни като „основния модел“).
Този проблем „ядро-ядро“ е трън в очите на изследванията на тъмната материя от десетилетия. Успешният модел на тъмната материя трябва да може да отчете поведението на малки и големи галактики, заедно с всички останали наблюдения на тъмната материя.
Един такъв модел се нарича самовзаимодействаща тъмна материя и както подсказва името, той предсказва, че тъмната материя от време на време взаимодейства сама със себе си, което означава, че частиците на тъмната материя понякога могат да отскачат една от друга или дори да се унищожават. Това самовзаимодействие изглажда областите с висока плътност на тъмната материя, превръщайки зъбците в ядра на малки галактики.
Същността на въпроса
Решен проблем, нали? Не съвсем. Самовзаимодействащите модели на тъмната материя имат проблеми със съвпадението с други наблюдения, като обектив на галактика (когато гравитацията от огромно количество материя изкривява и увеличава светлината от определени галактики зад нея) и растежа на галактиките в ранната Вселена.
Тези все още недостатъчно ефективни модели се основават на известни физически взаимодействия, които се осъществяват чрез една от четирите основни природни сили. Електроните взаимодействат помежду си чрез електромагнитната сила. Кварките взаимодействат помежду си чрез магнитната сила. И така нататък.
Но ако просто се прилага известната физика в царството на тъмната материя, може би е време да разгледаме едни напълно нови сили.
Танедо и неговите сътрудници се опитали да направят точно това и описват работата си в статия, публикувана преди месец в Journal of Physics of High Energy. Техният нов модел значително разширява възможните модели на взаимодействаща тъмна материя, позволявайки неизвестни сили да влязат в играта.
„Целта на моята изследователска програма през последните две години е да разширя идеята за „разговор“ на тъмната материя с тъмни сили“, казва Танедо в изявлението си.
„През последното десетилетие физиците осъзнаха, че в допълнение към тъмната материя, скритите тъмни сили могат да управляват взаимодействията на тъмната материя. Те могат напълно да пренапишат правилата за това как човек трябва да търси тъмната материя.“
Подходът на Танедо към тъмната материя включва две изненадващи характеристики. Вместо една сила, която свързва частиците на тъмната материя, моделът включва безкраен спектър от нови сили, които работят заедно. Второ, моделът изисква допълнително измерение на Вселената, четиримерно пространство.
Мислене извън Вселената
Безкрайният спектър от сили, всяка от които е представена от нова частица с различна маса, позволява голяма гъвкавост при изграждането на теорията за това как частиците на тъмната материя могат да си взаимодействат. И макар в света на ежедневната физика да няма аналог на такава теория, астрофизиците вече знаят, че тъмната материя не играе непременно по обичайните правила.
В теориите, които обясняват известната физика, когато две частици взаимодействат помежду си, те го правят, като обменят един вид частица, носеща сила. Например два електрона отскачат един от друг, като обменят фотони, носител на електромагнитната сила. Но този нов модел замества това единично взаимодействие с континуум или спектър от взаимодействия, всички работещи заедно за осъществяване на взаимодействието.
„Моята изследователска програма е насочена към едно от предположенията, които правим по отношение на физиката на частиците: че взаимодействието на частиците е добре описано чрез обмена на повече частици“, каза Танедо в изявлението.
Макар че това е вярно за обикновената материя, няма причина да се предполага, че важи и за тъмната материя. Екипът на Танедо е заимствал трик, използван в други теории за физиката на високоенергийните частици. Чрез забележителна, но все още не напълно доказана концепция, известна като кореспонденция AdS / CFT („AdS“ означава anti-de Sitter, което е вид пространство-време, а „CFT“ означава конформна теория на полето, която е категория квантови теории), някои физически проблеми, които са изключително трудни за решаване в нашето нормално триизмерно пространство, стават много по-лесни за справяне, когато се разширят до четиримерно пространство.
Докъде ще ни доведе този странен експеримент и ще има ли отговор на въпроса, може би ще видим. Или поне нашите потомци.
Източник: Live Science.
