Гравитационные порталы могут превратить темную материю в обычную

У этой идеи есть супер-крутое название: гравитационные порталы. Идея такова, что, когда две частицы темной материи (какими бы они ни были) засасываются в один из этих порталов, они уничтожают друг друга и излучают шокирующе сильные гамма-лучи.

Такой образ мышления потенциально может объяснить, почему центр Галактики, где, как считается, прячутся плотные скопления темной материи, полон гамма-лучей; и он может пролить свет на то, как ведет себя темная материя, и может время от времени взаимодействовать с нормальной материей нашей Вселенной.

Более 80% вещества в нашей Вселенной имеет форму, неизвестную стандартной модели физики элементарных частиц. Ученые называют это "темной материей", потому что она не взаимодействует со светом. Первый намек на существование темной материи появился в 1970-х годах, когда астроном Вера Рубин заметила, что галактики вращаются слишком быстро - без дополнительного скрытого источника гравитации они должны были бы разорваться на части.

В течение десятилетий астрономы не знали, нужно ли им изменить свое понимание гравитации, добавить во Вселенную больше обычного, но действительно тусклого вещества или добавить новый ингредиент. Но год за годом наблюдение за наблюдением ограничивали выбор. Никакая теория модифицированной гравитации не может объяснить все наблюдения. И физики установили жесткие ограничения на количество нормальной материи (яркой, тусклой и всего, что находится между ними) в космосе.

Остается темная материя, чтобы объяснить быстрые галактики. Эта материя была бы частицей нового типа с какой-то неизвестной идентичностью (или идентичностями). Он не взаимодействует со светом, иначе мы бы это уже видели. Он не взаимодействует с сильным ядерным взаимодействием, которое связывает частицы материи, иначе ученые обнаружили бы его влияние в атомных экспериментах. Она может разговаривать со слабым ядерным взаимодействием, но оно настолько слабое и короткодействующее, что наблюдать любые отклонения в ожидаемых результатах сложно.

Триллионы частиц темной материи могут течь сквозь вас прямо сейчас, невидимые и безмолвные.

Однако темная материя выдает свое присутствие через гравитацию, потому что каждая форма массы и энергии во Вселенной оказывает какое-то гравитационное влияние. Таким образом, единственный верный способ изучения темной материи - это ее гравитационное взаимодействие с нормальной материей, такое как движение звезд внутри галактик.

В исследовании, опубликованном 28 января в базе данных препринтов arXiv, физики предложили новую теорию, объясняющую, что такое темная материя и как она себя ведет. Но прежде чем погрузиться в их идею, мы должны ввести еще один ключ в эту охоту за темной материей. К разгадке можно отнести странное обилие гамма-лучей, исходящих из центра нашей галактики Млечный Путь.

Гамма-лучи - это форма излучения с наивысшей энергией, и они обычно возникают только в результате некоторых очень высокоэнергетических событий, таких как превращение звезд в сверхновые. Но гамма-лучей в центре Галактики больше, чем можно было ожидать, учитывая, насколько редки такие катаклизмы. Итак, эта теория предполагает, что гамма-лучи могут возникать как побочный продукт высокоэнергетических электронов.

Эти высокоэнергетические электроны, которые представляют собой своего рода частицу, известную как «лептоны», которые гораздо легче произвести, чем непосредственно гамма-лучи, исходят из какого-то источника и перемещаются по центру Галактики. Сами электроны невозможно обнаружить (они очень и очень крошечные), но, проходя через межзвездное пространство, они могут иногда врезаться в случайно проходящий фотон (легкую частицу).

Этот фотон, скорее всего, что-то безобидное и низкоэнергетическое, сталкивается с агрессивным электроном; столкновение настолько увеличивает энергию фотона, что он начинает испускать гамма-лучи, которые мы можем видеть.

Эти столкновения потенциально объясняют избыток гамма-лучей, но откуда берутся эти высокоэнергетические электроны?

Подведем итоги тому, что мы знаем. Во-первых, темная материя взаимодействует только через гравитацию. Два высокоэнергетических лептона, плавающих вокруг галактического центра, могут объяснить дополнительные гамма-лучи, которые мы видим там. В-третьих, поскольку в нашей собственной галактике ядро ​​имеет самую высокую плотность материи, мы думаем, что там также большая концентрация темной материи.

Связь между этими двумя наблюдениями имеет подходящее удивительное название: лептофильные гравитационные порталы, как подробно описали Сунь Сюй-Донг и Дай Бен-Чжун из Китайской ключевой лаборатории физики астрономических частиц в их статье arXiv. Исследование еще не прошло рецензирование.

Начнем с части «гравитационных порталов». Насколько мы понимаем гравитацию, она просто притягивает вещи. Земля притягивает Луну; солнце притягивает Землю; звезды в галактике притягиваются друг к другу и так далее. А гравитация действительно хорошо справляется с тягой.

Итак, на первый взгляд, единственное, что гравитация может сделать с темной материей, - это… притяжение.

Но наше понимание гравитации неполно. Физика может объяснить, что гравитация действует в больших масштабах, но не существует так называемой квантовой теории гравитации, которая описывала бы сильную гравитацию в очень крошечных масштабах. И в этом режиме гравитация может преподнести сюрпризы.

Другие силы природы способны постоянно уничтожать, преобразовывать и создавать частицы. Например, слабое ядерное взаимодействие может превратить протон в нейтрон, вызывая радиоактивный распад. Частица и ее античастица могут соединяться посредством электромагнитной силы, аннигилируя друг друга во всплеске излучения.

Так что, возможно, гравитация в крайних случаях может объединить две частицы темной материи и разрушить их, превратив их во что угодно, правда.

И согласно теоретической модели, изложенной исследователями, возможно, эти частицы темной материи могут превращаться в лептоны. Отсюда и «лептофильная» часть имени, что означает «лептонолюбивый».

Согласно новой теории, частицы темной материи могут иногда аннигилировать друг друга посредством не более чем случайных гравитационных взаимодействий. Эти случайные взаимодействия известны на физическом жаргоне как «гравитационные порталы», поскольку они позволяют частицам взаимодействовать только через гравитацию. Продукт столкновения - электрон высокой энергии. Эти взаимодействия будут гораздо более обычными в центре Галактики, где плотность темной материи, вероятно, наиболее высока. Затем эти электроны будут двигаться дальше, в конечном итоге ударяя фотон с низкой энергией и превращаясь в гамма-луч, вызывая наблюдаемый нами избыток.

Да, эта идея натянута. Но учитывая, что физики в неведении, когда дело доходит до идентичности темной материи, новые идеи всегда приветствуются. И эта теория была специально разработана, чтобы соответствовать наблюдениям гамма-лучей. Но как только этот дверной проем будет открыт, позволяя частицам темной материи превратиться в обычную материю (в данном случае лептоны), можно будет провести дополнительную теоретическую работу, чтобы увидеть, есть ли другие способы проверить теорию.