Тёмная материя не взаимодействует со светом и обычной материей, что делает её практически «невидимой». Однако учёные не уверены, взаимодействует ли тёмная материя сама с собой. Новое исследование предполагает, что скопления галактик могут быть использованы в качестве «естественных коллайдеров» тёмной материи, если частицы, составляющие тёмную материю, действительно взаимодействуют между собой.

Скопления галактик заполнены тёмной материей, и астрономы могут исследовать места их столкновений, чтобы обнаружить возможные признаки взаимодействия тёмной материи с самой собой. Хотя такая подсказка не раскроет состав тёмной материи, она поможет исключить модели тёмной материи, которые не допускают самовзаимодействия, приближая исследователей к истинному кандидату на роль тёмной материи.

«В скоплениях галактик также доминирует тёмная материя. Она составляет 80 до 90% их массы, и чем массивнее объект, тем быстрее будут двигаться составляющие его частицы тёмной материи. По сути, вы изучаете столкновения при очень высоких энергиях», — заявила Жаклин Макклири, доцент кафедры физики Северо-Восточного университета.

Отсутствие взаимодействий — это одна из причин, по которой тёмная материя так сложно поддаётся пониманию. Несмотря на то, что она составляет более 80% материальной вселенной и обеспечивает гравитационное влияние, которое не дает галактикам разлетаться, тёмная материя фактически невидима, поскольку она не взаимодействует со светом. Аналогично, частицы тёмной материи проскальзывают сквозь частицы материи, как космические призраки.

Распределение тёмной материи в скоплении галактик Abell 3827 показано в виде синих контурных линий на этом снимке с космического телескопа «Хаббл». 
Источник: ESO/R. Massey

Эти «антисоциальные» свойства привели учёных к пониманию того, что тёмная материя не может состоять из атомов, состоящих из электронов, протонов и нейтронов, которые взаимодействуют со светом и друг с другом. Это послужило толчком к поиску жизнеспособной частицы-кандидата тёмной материи.

«Всё во Вселенной — это частица, волна и поле, поэтому базовое предположение заключается в том, что тёмная материя должна быть частицей. Вопрос в том, что это за частица, поскольку «частица» — очень расплывчатое понятие», — сказал Макклири.

Кандидаты на роль частиц варьируются от гипотетических «слабо взаимодействующих массивных частиц» или WIMPS до «массивных компактных гало-объектов» или MACHO, до крошечных, почти безмассовых частиц, называемых аксионами или стерильными нейтрино. Даже крошечные чёрные дыры, оставшиеся после Большого взрыва, называемые первичными чёрными дырами, были рассмотрены в качестве кандидатов на тёмную материю.

Проблема в том, что все эти подозреваемые не поддаются обнаружению и, таким образом, остаются гипотетическими. Фантомная природа тёмной материи означает, что мы не можем просто загрузить частицы тёмной материи в ускоритель частиц на Земле, например, в Большой адронный коллайдер (БАК), чтобы столкнуть их и определить их состав.

Итак, хотя БАК раскрыл некоторые секреты стандартной модели физики элементарных частиц, расщепляя протоны и наблюдая за возникающими при этом потоками частиц, тёмная материя, которая лежит за пределами этой модели, по-видимому, недоступна для самого мощного в мире ускорителя частиц.

Единственный способ, которым можно фактически сделать вывод о наличии темной материи, — это рассмотреть одно взаимодействие, в котором она, по-видимому, участвует. Тёмная материя имеет массу, и поэтому она деформирует пространство-время, что придает ей гравитационное влияние. Это влияние может определять движение материи и света, и это можно обнаружить. Именно благодаря этому косвенному подходу известно, что галактики окружены огромными ореолами тёмной материи, и что тёмная материя также существует в больших количествах вблизи ядер галактик.

Учёные также предполагают, что когда галактики группируются в скопления, это является результатом влияния тёмной материи, которое распространяется по вселенной. Это также помогает отдельным галактикам набирать массу и расти, поскольку её гравитационное влияние притягивает обычную материю.

DALL-E

Макклири и его коллеги предложили отказаться от искусственного ускорителя частиц в пользу естественного. Они рассуждают, что если скопления галактик и переносимая ими темная материя столкнутся с достаточной силой, могут произойти обнаруживаемые взаимодействия тёмной материи — если тёмная материя действительно взаимодействует сама с собой.

Эти взаимодействия могут быть такими простыми, как столкновения и отскакивания друг от друга частиц тёмной материи, или они могут привести к взаимному уничтожению и вспышке энергии. Когда частицы и античастицы — скажем, электрон и его античастица, называемая позитроном — встречаются, они уничтожают друг друга, и содержащаяся в них энергия высвобождается. Некоторые модели тёмной материи предполагают, что она является своей собственной античастицей, и если это так, то столкновения частиц тёмной материи могут привести к их взаимному уничтожению и высвобождению энергии.

Этот метод обнаружения тёмной материи будет зависеть от двух из этих обширных групп галактик, которые встретятся и столкнутся друг с другом. Хотя такая подсказка не расскажет, из каких именно частиц состоит тёмная материя, она поможет исключить модели тёмной материи, которые не допускают самовзаимодействия, приближая исследователей к истинному кандидату на роль тёмной материи.