С цялото ни разбиране на законите на физиката и успеха на Стандартния модел и общата теория на относителността, има редица наблюдаеми явления във Вселената, които не могат да бъдат обяснени. Вселената е пълна с мистерии, от образуването на звезди до космическите лъчи с висока енергия. Въпреки че постепенно откриваме пространство за себе си, все още не знаем всичко. Например знаем, че тъмната материя съществува, но не знаем какви са нейните свойства. Означава ли това, че трябва да приписваме всички неизвестни ефекти на проявите на тъмната материя?
Има толкова мистерии за тъмната материя, колкото и доказателства за нейното съществуване. Но да обвиняваме тъмната материя за всички мистериозни проявления на пространството е не само късогледство, но и погрешно. Това се случва, когато учените останат без добри идеи.
Две ярки големи галактики в центъра на купчината Кома, всяка с размер над един милион светлинни години. Галактиките в покрайнините показват съществуването на голям ореол от тъмна материя в купчината.
Тъмната материя е навсякъде във Вселената. За първи път е консултиран през 30-те години на миналия век, за да се обясни бързото движение на отделни галактики в галактически купове. Това се случи, защото цялата обикновена материя - материя, съставена от протони, неутрони и електрони - не е достатъчна, за да обясни общото количество гравитация. Това включва звезди, планети, газ, прах, междузвездна и междугалактическа плазма, черни дупки и всичко останало, което можем да измерим. Доказателствата в подкрепа на тъмната материя са многобройни и завладяващи, както отбелязва физикът Итън Сийгъл.
Тъмна материя е необходима за обяснение:
- ротационни свойства на отделни галактики, - образуването на галактики с различни размери, от гигантски елипсовидни до - галактики с размерите на Млечния път и малки галактики джуджета близо до нас, Промоционално видео:
- взаимодействия между двойки галактики, - свойства на клъстери от галактики и галактически клъстери в голям мащаб, - космическа мрежа, включително нейната нишковидна структура, - спектър на колебанията на космическия микровълнов фон, - наблюдаваните ефекти от гравитационното лениране на далечни маси, - наблюдаваното разделяне между ефектите на гравитацията и присъствието на обикновена материя при сблъсъци на галактически клъстери.
И в малък мащаб на отделни галактики, и в мащаб на цялата Вселена е необходима тъмна материя.
Поставяйки всичко това в контекста на останалата част от космологията, ние вярваме, че всяка галактика, включително нашата собствена, съдържа масивен, дифузен ореол от тъмна материя, който я заобикаля. За разлика от звездите, газа и праха в нашата галактика, които са най-вече в диска, ореолът на тъмната материя трябва да бъде сферичен, тъй като за разлика от обикновената (базирана на атоми) материя, тъмната материя не се "изравнява", когато я изстискате … Също така, тъмната материя трябва да е по-плътна в галактическия център и да се простира десет пъти по-далеч от звездите на самата галактика. И накрая, във всеки ореол трябва да има малки бучки тъмна материя.
За да се възпроизведе пълният набор от наблюдения, изброени по-горе, както и други, тъмната материя не трябва да има други свойства, освен следните: тя трябва да има маса; трябва да взаимодейства гравитационно; трябва да се движи бавно спрямо скоростта на светлината; не трябва да взаимодейства силно чрез други сили. Всичко. Всички други взаимодействия са силно ограничени, но не са изключени.
Защо тогава, когато се извършва астрофизично наблюдение с излишък от обикновена частица от определен тип - фотони, позитрони, антипротони - хората преди всичко говорят за тъмната материя?
По-рано тази седмица екип от учени, изучаващи източниците на гама-лъчение около пулсарите, публикува своите открития в Science. В своята работа те се опитаха да разберат по-добре откъде идва излишъкът от позитрони, които наблюдаваме. Позитроните, антиподите на електроните, обикновено се раждат по няколко начина: когато обикновените частици се ускорят до достатъчно високи енергии, когато се сблъскат с други частици на материята и с производството на двойки електрон-позитрон съгласно формулата на Айнщайн E = mc2. Ние създаваме такива двойки в хода на физическите експерименти и можем да наблюдаваме създаването на позитрон астрофизически, както директно, в търсенето на космически лъчи, така и косвено, в търсенето на енергийния подпис на унищожаването на електрон-позитрон.
Тези астрофизични позитронни подписи се срещат близо до галактическия център, насочвайки точкови източници като микроквазари и пулсари, разположени в тайнствен регион на нашата галактика, известен като Великия унищожител, и в част от дифузен фон, чийто произход е неизвестен. Едно е сигурно: виждаме повече позитрони, отколкото очакваме. И това е известно отдавна. Памела го измери, Ферми го измери, AMS на борда на МКС го измери. Съвсем наскоро обсерваторията на HAWC измери изключително високоенергийни гама лъчи на ниво TeV и показа, че това са силно ускорени частици, идващи от пулсари на средно ниво. Но, за съжаление, това не е достатъчно, за да обясни наблюдавания излишък от позитрони.
По някаква причина при всяко измерване на излишъка от позитрони, при всяко наблюдение на астрофизичен източник, който не го обяснява, разказът се влива в „не можем да го обясним, така че вината е тъмната материя“. И това е лошо, защото има много възможни астрофизични източници, които не изискват нищо екзотично, например:
- вторично производство на позитрони и гама лъчи от други частици, - микроквазари или нещо друго, захранващи черни дупки, - много млади или много стари пулсари, магнетари, - останки от свръхнова.
Този списък не е окончателен, но предоставя няколко примера за това, което може да създаде този излишък.
Много хора, работещи в тази област, избират тъмната материя, защото би било пробив, ако тъмната материя унищожи и произведе гама лъчи и частици от обикновена материя. Това би било мечтаен сценарий за ловците на астрофизици за тъмна материя. Но желаното мислене никога не е водило до големи открития. И докато тъмната материя най-често се представя като обяснение за позитронния излишък, това е не по-вероятно от извънземните, обясняващи звездата Таби.
След като поиска обяснение от Бренда Дингус, главен изследовател на HAWC, Итън Сийгъл получи следния коментар:
„Несъмнено има и други източници на позитрони. Но позитроните не се отклоняват далеч от своите източници и няма много източници наблизо. Двамата най-добри кандидати бяха открити от HAWC и вече знаем броя на позитроните, които те произвеждат. Също така знаем как тези позитрони се дифузират от техните източници; по-бавно от очакваното. Въпреки че потвърдихме източниците на позитрони наблизо, открихме, че позитроните много бавно се отдалечават от мястото си на произход и следователно не създават излишък от позитрони на Земята. Като елиминираме една възможност, ние правим други възможности по-вероятни. Това обаче не означава, че позитроните ТРЯБВА да идват от тъмната материя. Ние нямаме предвид това."
Забележително е, че позитроните в данните на HAWC представляват само 1% от позитроните, наблюдавани в други експерименти, сочейки нещо друго като герой на деня. Когато се прави наблюдение, което противоречи на традиционните ни идеи, като например при излишък от астрофизични позитрони, не бива да се изключва възможността за участие на тъмна материя. Но е много по-вероятно други астрофизични процеси да обяснят тези ефекти. Когато в науката се появи мистерия, всеки иска революция, но по-често получава нещо обикновено.
Иля Хел