Тёмная материя не взаимодействует со светом и обычной материей, делая её почти «невидимой». Учёные сомневаются, взаимодействует ли тёмная материя сама с собой. Новое исследование предполагает, что скопления галактик могут стать «естественными коллайдерами» тёмной материи, если частицы её действительно взаимодействуют.
Группы галактик богаты темной материей, и астрономы могут изучать места их столкновений для поиска признаков взаимодействия темной материи с самой собой. Такая подсказка не раскроет состав темной материи, но поможет отвергнуть модели, которые не допускают ее самовзаимодействия, приближая ученых к истинному кандидату на роль темной материи.
В группах галактик преобладает темная материя. Её доля составляет от 80 до 90% массы объектов, и чем массивнее объект, тем быстрее движутся его частицы темной материи. В ходе изучения происходит анализ столкновений с очень высокими энергиями, — сказала Жаклин Макклири, доцент кафедры физики Северо-Восточного университета.
Непознаваемость тёмной материи обусловлена отсутствием взаимодействия с остальным миром. Несмотря на то что она образует более 80% материальной вселенной и оказывает гравитационное воздействие, удерживающее галактики от распада, она остается скрытой из-за неспособности взаимодействовать со светом. Аналогично, частицы тёмной материи проходят сквозь частицы обычной материи, подобно космическим призракам.
«Антисоциальные» свойства заставили учёных прийти к выводу, что тёмная материя не может состоять из атомов, состоящих из электронов, протонов и нейтронов, которые взаимодействуют со светом и друг с другом. Это побудило к поиску жизнеспособной частицы-кандидата для тёмной материи.
Всё во Вселенной представлено частицами, волнами и полями, поэтому основное предположение гласит о том, что тёмная материя должна быть частицей. Проблема в том, какой именно частьюкой она может быть, поскольку «частица» — слишком обширное понятие.
В качестве возможных составных частей тёмной материи рассматриваются гипотетические слабо взаимодействующие массивные частицы (WIMPS), массивные компактные гало-объекты (MACHO), а также крошечные, почти безмассовые частицы – аксионы или стерильные нейтрино.
Даже первичные чёрные дыры, образовавшиеся после Большого взрыва, рассматриваются в качестве кандидатов на роль тёмной материи.
Из-за невозможности обнаружить этих подозреваемых, все они остаются гипотетическими. Тайная природа тёмной материи не позволяет просто загрузить её частицы в ускоритель на Земле, например, в Большой адронный коллайдер, чтобы изучить их состав.
Несмотря на то, что БАК раскрыл часть тайн стандартной модели физики элементарных частиц, разделяя протоны и наблюдая потоки появившихся при этом частиц, тёмная материя, находящаяся за пределами этой модели, как будто недоступна для самого мощного в мире ускорителя частиц.
Единственный способ узнать о существовании темной материи — исследовать её взаимодействие с другими объектами. Темная материя обладает массой и изгибает пространство-время, оказывая гравитационное воздействие на движение вещества и света. Именно благодаря этому косвенному методу известно, что галактики окружены огромными ореолами темной материи, а также о её большом количестве вблизи ядер галактик.
Учёные предполагают, что группировка галактик в скопления является результатом влияния тёмной материи, распространяющейся по вселенной. Такое влияние также помогает отдельным галактикам набирать массу и расти за счёт притяжения обычной материи гравитацией.
Макклири и соавторы предложили использовать естественный ускоритель частиц вместо искусственного. Авторы полагают, что столкновение скоплений галактик и переносимой ими темной материи при достаточной силе может привести к обнаруживаемым взаимодействиям темной материи, если таковые существуют.
Взаимодействия могут быть простыми, как столкновения и отскакивания частиц темной материи, или привести к взаимному уничтожению и вспышке энергии. При встрече частицы и античастицы, например электрон и позитрон, уничтожают друг друга, высвобождая энергию. Некоторая модель темной материи предполагает, что она является своей собственной античастицей. В этом случае столкновения частиц могут привести к их взаимному уничтожению и высвобождению энергии.
Этот метод поиска тёмной материи основывается на столкновении двух больших групп галактик. Хотя такой анализ не покажет из каких частиц состоит тёмная материя, поможет отвергнуть модели, не допускающие взаимодействия тёмной материи с собой, приближая нас к поиску её истинной природы.