Невероятная теория: темная материя частично заряжена

Необычное объяснение загадочного охлаждающего эффекта в ранней вселенной. Крошечная часть темной материи могла бы состоять из частиц со слабым электрическим зарядом. Во всяком случае, это предполагают американские исследователи. Правда, это явно противоречит всем существующим представлениям о темной материи, но теоретически, как показывают расчеты, такой вариант вполне допустим. Если же для этой теории будут найдены подтверждения, то это сможет объяснить, почему первичные газовые облака в космосе были намного более холодными, чем они должны бы были быть.

Способствовала ли темная материя в раннюю эпоху космоса охлаждению первичных газов? Иллюстрация CfA/ M. Weiss

Во вселенной темной материи имеется в пять раз больше, чем обычной, видимой материи. И влияние ее гравитации формирует структуру космоса. Но вот из чего состоит темная материя, и какими свойствами обладают ее частицы, остается загадкой. Возможными кандидатами на эту роль рассматриваются ВИМПы (Weakly Interacting Massive Particles = слабо взаимодействующие массивные частицы), SIMPs (Strongly Interacting Massive Particles = сильно взаимоействующие массивные частицы) или легкие анионы. Но все эти кандидаты являются чисто гипотетическими – подтверждения их существования пока что нет.

Слишком холодные

И вот Джулиан Муньос и Абрахам Лёб из Гарвардского университета обнаружили новое свойство темной материи. Толчок исследователям дали новейшие сведения, собранные инструментом EDGES в Австралии. С помощью этой антенны исследователи уловили сигналы первичных водородных облаков – возбужденные молекулы газа из эпохи через 180 миллионов лет после Большого взрыва.

Темная материя (голубой цвет) невидима, и подтвердить ее существование можно только косвенно. Фото NASA/CXC/M. Weiss

Но странным здесь представляется то, что эти ранние газовые облака были намного более холодными, чем им следовало бы быть. Их температура составляла всего около трех градусов по Кельвину – вдвое ниже, чем это ожидалось. «Такое наблюдение очень сложно согласовать с космологической стандартной моделью», - говорят Муньос и Лёб. Ведь космический газ очень легко поддается нагреву, но охлаждается с очень большим трудом. «Для этого барионы этого газа должны бы были взаимодействовать с чем-то еще более холодным», - еще в марте предположил Реннан Баркана из университета Тель-Авива.

Охлаждение темной материей?

Но единственным, что в ранней вселенной имело более холодные температуры, была темная материя. Поэтому теоретически в качестве охладителя для первичных облаков может рассматриваться только она, подчеркивают Муньос и Лёб. Вот только есть здесь одна проблема. Дело в том, что в соответствии с принятой теорией, темная материя взаимодействует с остальной вселенной исключительно через гравитацию. И никакая передачи тепла или холода при этом не представлялась возможной.

Но, как вычислили астрономы, возможным был и другой путь. Малая часть темной материи могла тогда, вскоре после Большого взрыва, обладать слабым электрическим зарядом. И это могло бы обеспечить частицам такой экзотической формы материи возможность взаимодействовать с первичным газом и охлаждать его. «Если даже малая часть – менее одного процента – темной материи имела бы крошечный заряд, пусть даже в миллион раз меньше, чем у электрона, то это смогло бы объяснить данные, полученные в результате эксперимента с EDGES», - констатируют оба исследователя.

Противоречия с принятыми наблюдениями нет

На первый взгляд, все это выглядит совершенно невероятным. Ведь все предыдущие измерения и наблюдения указывают на то, что темная материя является незаряженной и не проявляет никакой электромагнитной активности. Но, как утверждают ученые, чрезвычайно малая доля заряженных частиц и их сверхслабый заряд не позволяют современной технике их определить. «Такие крошеные заряды невозможно наблюдать даже с помощью крупнейших ускорителей частиц», - говорит Лёб.

Так выглядит радиоспектрометр EDGES в пустыне Западной Австралии. Фото SIRO Australia

К этому следует добавить и вероятность того, что эта ограниченная заряженная доля существовала только в ранний период развития вселенной. В этом исследователи видят аналогию с развитием нормальной материи: большая часть свободно двигавшихся после Большого взрыва протонов и электронов соединились тогда в нейтральные атомы. Но какая-то очень малая часть этих элементарных частиц и после этого оставалась свободной. Примерно это же могло происходить и с темной материей считают Лёб и Муньос.

Сигналы могут быть подтверждены

Хотя до сих пор все это остается чистой теорией, Муньос и Лёб считают, что раннее охлаждающее действие темной материи в будущем вполне может быть доказано. В соответствии с этим, сигналы электромагнитного и термического взаимодействия темной материи и обычной материи можно обнаружить в спектральных каналах ранней космической эры.

«Барионическое охлаждение должно бы было привести к дополнительным флуктуациям в 21-сантиметровой линии на доли процентов», - объясняют исследователи. - «И их вполне можно будет распознать с помощью будущих 21-сантиметровых интерферометров, как HERA30». Если же эти сигналы действительно будут подтверждены, это станет настоящей сенсацией и новым ошеломляющим аспектом в разгадывании загадки темной материи.