Попытки рассказать о тёмной материи или доискаться её природы напоминают бесконечный анонс и преамбулу. Тёмная материя существует, её очень много по массе (в разы больше, чем «светлой» материи), но, учитывая, что она не взаимодействует с известным нам веществом — с тем же успехом эту материю можно называть не «тёмной», а «прозрачной». На Хабре уже рассматривался феномен WIMP-ов (слабо взаимодействующих массивных частиц). Однако в начале 2010-х  появились интересные теории, к началу 2020-х превратившиеся в полноценные научные разработки. Эти исследования позволяют предположить, что могла бы представлять собой «составная» (composite) тёмная материя, образующая не рой неизвестных частиц, а «тёмные атомы» или даже аналог физических тел. Ниже поговорим именно о таких разработках, во многом связанных с командой российских космологов под руководством Максима Юрьевича Хлопова. Для начала конкретизируем, почему к началу 2020-х существующие теории тёмной материи стали скатываться в явственный кризис.

Итак, большая часть Вселенной остаётся для нас совершенно незамеченной. Известные нам 100+ видов атомов (химические элементы) слагают звёзды, планеты и межзвёздный газ, в более широком представлении — галактики и крупномасштабные структуры Вселенной. Тем не менее, насколько мы представляем природу тяготения, оказывать гравитационное воздействие может энергия или материя, обладающая массой, а наблюдаемой материи совершенно не хватает, чтобы объяснить наблюдаемые гравитационные взаимодействия. Большая часть наблюдаемой материи — это именно звёзды, а звёзды состоят в основном из водорода и гелия, двух самых лёгких и хорошо изученных элементов. Неизвестная материя, не проявляющая себя никак, кроме гравитационного воздействия на окружающие звёзды и галактики, называется тёмной материей. Элементарные частицы, обладающие массой, называются барионами; именно из барионов состоят все известные физические тела, но абсолютное большинство барионов не образуют физических тел, а пребывают в свободном состоянии.    

·         Видимые звёзды

·         Прочие барионы

·         Тёмная материя

·         Тёмная энергия

О природе тёмной энергии сейчас остаётся только догадываться (хотя в одной из весенних публикаций я указывал, почему она может быть следствием вращения Вселенной), тогда как тёмная материя кажется значительно более предсказуемой и понятной, поскольку действительно ведёт себя как материя. Тёмная материя оказывает на окружающие тела притяжение, а не отталкивание (тёмная энергия оказывает именно антигравитационное воздействие и является двигателем расширения Вселенной). Согласно имеющимся измерениям, тёмная материя воздействует на нетёмную именно так, как если бы состояла, как минимум, из барионов, а возможно — и из атомов. Как неоднократно справедливо указывали, концепция тёмной материи может оказаться фантомом, возникшим из-за нашего неполного понимания гравитации, но пока приходится констатировать, что на тёмную материю приходится порядка 26% от всей массы во Вселенной, и на роль фундаментальной частицы такой материи не подходит ни одна из частиц, входящих в Стандартную модель.

Представляется, что тёмная материя сосредоточена между галактиками, а также, возможно, вблизи галактических ядер. Мы живём в толще Млечного Пути, и в районе Земли тёмной материи очень мало, но она всё-таки должна присутствовать вокруг нас в объёме, составляющем 20-30 атомов водорода на чашку с водой. Тёмная материя постоянно проносится сквозь светлую, совершенно с ней не взаимодействуя, и скорость этого движения оценивается (на основе межгалактических взаимодействий) не менее чем в 200 км/c. Тёмная материя не взаимодействует с фотонами. Поскольку фотон является квантом электромагнитного поля, это значит, что она не только прозрачна, но и непроницаема для электромагнитных взаимодействий. Более того, она нечувствительна и к сильному ядерному взаимодействию, которое удерживает в целости любой атом.   

В настоящее время без привлечения тёмной материи невозможно объяснить, как формируются и существуют галактики, даже если допустить, что данная проблема просто не решена, а тёмная материя — просто удобный костыль. Сама проблема формулируется относительно просто.

Галактики — это звёздные острова, удерживаемые от распада силой гравитации. Все звёзды обращаются вокруг центра галактики, и чем быстрее движется звезда по орбите, тем более сильная гравитация требуется, чтобы удержать её на «треке». К началу 1930-х скорость движения звёзд на разном удалении от центра галактики была измерена с достаточной точностью, чтобы прийти к выводу, что массы всего наблюдаемого вещества попросту не хватает, чтобы спиральные галактики сохраняли целостность и наблюдаемую форму.

Эту проблему первым сформулировал в 1933 году швейцарско-американский астроном Фриц Цвикки, предположивший существование не столько «тёмной», сколько «неучтённой» материи. Он полагал, что такой материей, которая оказывает гравитационное воздействие, но не просвечивается ни в каком электромагнитном спектре, могут быть просто облака разреженного межзвёздного газа (в основном — водорода), которые удастся найти по мере развития телескопов. Но в наше время карта газопылевых туманностей уже составлена в значительных подробностях, и одним лишь остывшим водородом тёмную материю явно объяснить нельзя. Более того, на рубеже 1960-х и 1970-х Вера Рубин и Кент Форд пришли к выводу, что тёмная материя наиболее значительно влияет на межгалактические, а не на внутригалактические процессы, поэтому никак не может быть просто «избыточной массой» какого-то уже известного вещества.   

С тех пор на роль тёмной материи предлагались остатки выгоревших звёзд, чёрные дыры и другие объекты, в том числе, значительно более экзотические. В 1991 году на кончике пера были открыты MACHO — массивные компактные объекты (галактического) гало. Об их существовании предположил американский астрофизик Ким Грайст, нарочито противопоставляя эту аббревиатуру («мачо») аббревиатуре WIMP (слабовзаимодействующие массивные частицы). «ВИМПы» (англ. «wimp» — «дохляк») были предложены на роль частиц тёмной материи несколько ранее, их описал в 1986 году Майкл Тёрнер. Тогда как WIMP-частицы до сих пор остаются гипотетическими, MACHO-подобные объекты были обнаружены около 2007 года. Они напоминают остывшие красные карлики с массой около 0,5 солнечной, но их всё равно слишком мало, чтобы они могли существенно влиять на гравитацию так, как влияет тёмная материя.    

Тёмные звёзды и атомы профессора Хлопова

До сих пор популярна теория о «скрытых секторах» Галактики, в которых могут располагаться пока не известные фермионы, по свойствам напоминающие WIMP. Тем не менее, поскольку едва ли возможно найти для этих фермионов место в Стандартной Модели, идея скрытых секторов представляется столь же боковой, как и идея MACHO: она может привести к открытию таких секторов и новых состояний вещества, но вряд ли объяснит тёмную материю.

Более разнообразны гипотезы о том, что тёмная материя может состоять не из физических тел, а из частиц-барионов, являющихся зеркальными аналогами уже известных частиц Стандартной Модели и вписывающихся в теорию суперсимметрии. Суперсимметрия предполагает наращивание Стандартной Модели примерно вдвое, и в таком случае на роль частиц-кандидатов могли бы подойти магнитные монополи, аксионы, массивные нейтрино и фотино. Идея о суперсимметричной зеркальной материи ожила после открытия некоторых аномалий в свойствах космических лучей, и, в частности, активизировался поиск нейтралино — суперсимметричного аналога нейтрино. Именно нейтралино могли бы образовываться при аннигиляции WIMP-ов, но пока таких частиц не обнаружено.

В начале 2010-х на фоне развития таких теорий, которые не удалось экспериментально проверить на Большом Адронном Коллайдере, появились гипотезы о «связных состояниях» тёмной материи. Такие частицы напоминали бы атомы и, следовательно, могли бы образовывать макроскопические тела и звёзды. В таком случае допускается существование экзотического вещества (частицы) глюония, состоящего из кварков одного цвета. Если глюоний из обычной материи будет обнаружен (частица-кандидат такого рода была предложена в 2014 году), то станут известны и потенциальные свойства тёмного глюония, с образованием которого должна аннигилировать тёмная материя.

Наиболее заметной разработкой, описывающей «тёмные атомы», представляется теория O-гелия, разрабатываемая с начала 2010-х советско-российско-французским физиком Максимом Юрьевичем Хлоповым и его московскими коллегами Андреем Майоровым и Евгением Солдатовым.        

Если тёмная материя существует в форме атомов, это позволяет объяснить, каким образом она сохранилась с зарождения Вселенной до наших дней, а не аннигилировала в глубокой древности. По мысли Хлопова, в первые три минуты после Большого Взрыва гипотетические тёмные частицы с зарядом -2 могли бы сливаться с атомами гелия, образуя атомоподобные единицы, которые как раз невозможно обнаружить современными методами, но наличие которых в ядрах галактик могло бы объяснять, например, фиксируемые выбросы позитронов. Остановимся подробнее на возможных свойствах таких тёмных атомов.  

Влияние тёмных атомов на звездообразование

Если бы тёмные атомы существовали, то они позволили бы радикально пересмотреть эволюцию галактик и формирование звёзд — в том смысле, что тела, аналогичные звёздам и острова, аналогичные галактикам, могли бы концентрироваться за пределами обычных галактик. Та небольшая часть тёмной материи, которая оказывалась бы заключена в обычных галактиках, быстро сносилась бы к их центрам и образовывала бы чёрные дыры (в принципе, доподлинно неизвестно, из чего именно сформировались чёрные дыры в центрах галактик).

Причина, по которой тёмные частицы не взаимодействуют с обычной материей, может заключаться в том, что их связывает некое пока не известное фундаментальное взаимодействие, и с тем, что «по ту сторону зеркала» оно заменяет три известных нам силы: электромагнитное, сильное и слабое взаимодействие, оставаясь в паре с гравитацией.

В целом представление о таких частицах не кажется фантастичным, так как предполагает дополнительную симметрию в устройстве микромира, но не противоречит законам физики. Атомы тёмной материи тем активнее образовывали скопления, если бы не содержали «тёмных нейтронов», а слагались из «тёмных протонов» и «тёмных электронов». В таком случае тёмный аналог таблицы Менделеева мог бы включать всего один или несколько «элементов», пригодных в основном для образования «тёмных звёзд» и тёмного межзвёздного газа (подобно гелию и водороду). Крупномасштабные структуры такого рода напоминали бы «тёмные спиральные галактики», которые, в силу однородности состава, располагали бы к активному звездообразованию и подобию усиленных термоядерных реакций. Поэтому к настоящему времени большинство тёмных звёзд должно было бы выгореть, а их остатки напоминали бы именно MACHO-подобные объекты. В свою очередь, тёмные галактики были бы похожи на обычные как по размеру, так и по форме, но развивались бы быстрее. Возможно, на раннем этапе существования Вселенной тёмные галактики встречались не реже светлых. В апреле 2023 года команда американских и канадских учёных даже подготовила компьютерную модель образования таких звёзд и галактик, не противоречащую описанным здесь закономерностям.

На момент подготовки этой публикации также появилась новость, что учёные из Колгейтского университета и Техасского университета под руководством Космина Илие (Cosmin Ilie) обнаружили в данных телескопа «Джеймс Уэбб» объекты, похожие на аналоги звёздных островов из тёмной материи. Это галактикоподобные объекты JADES-GS-z13-0, JADES-GS-z12-0 и JADES-GS-z11-0, образовавшиеся через 300-400 миллионов лет после Большого Взрыва. Они были источниками тепла, но, по-видимому, известные нам термоядерные реакции в них не протекали. Вероятно, (выгоревшие) тёмные звёзды должны были бы выглядеть именно так.  

Тёмная материя — почти волна

Квантовая хромодинамика также допускает, что тёмная материя может состоять из пока неизвестных мельчайших частиц, обладающих массой. Если бы такая частица была в миллиарды раз легче электрона, то, по принципу корпускулярно-волнового дуализма, она также давала бы очень короткую волну, расположенную глубоко за рентгеновским спектром. Из предсказанных к настоящему моменту гипотетических частиц на эту роль мог бы подходить аксион, существование которого постулировали в 1970-е Роберто Печчеи и Хлен Куинн. По мнению физика Линдли Уинслоу из Массачусетского технологического института, если бы тёмная материя состояла бы ровно из одной мельчайшей частицы, то образуемые ею волны были бы когерентны и воспринимались как огромная обладающая массой волна или каскад, пронизывающий Вселенную. Физик Тинь-Тинь Ю из Орегонского университета разделяет эту точку зрения, но полагает, что такой частицей мог бы быть «тёмный фотон», в отличие от обычного обладающий массой. Такие частицы, в особенности, тёмные фотоны, позволили бы объяснить наличие массы без наличия физических тел (здесь вся тёмная масса эквивалентна энергии). Но эксперимент, который позволил бы обнаружить подобные частицы, предполагает, что вблизи звёзд их концентрация должна быть выше и, следовательно, быть измерима. Проект такого эксперимента по обнаружению тёмной материи вблизи от орбиты Меркурия предложили в 2022 году Ю-Дай Цай, Джошуа Иби и Марианна Сафронова из Калифорнийского университета в Ирвайне, Чикагского университета и Института Кавли.

Заключение

Мы привыкли искать закономерности и строить научный поиск на базе уже известных открытий, но при попытках концептуализировать тёмную материю этот подход явно сбоит. Ещё в 1980-е годы израильский физик Мордехай Мильгром предположил, что законы движения и небесной механики, сформулированные Ньютоном в XVII веке, просто не вполне точны в межгалактических масштабах, а являются приближением, хорошо работающим в масштабах Солнечной системы. В 1983 году он сформулировал теорию «модифицированной ньютоновской динамики», согласно которой, в частности, при малых значениях ускорение нелинейно зависит от создающей его массы, поэтому в межгалактических масштабах возникают погрешности, приписываемые наличию тёмной материи. Сегодня теория Мильгрома не считается опровергнутой, но, по-видимому, не объясняет динамики галактических скоплений и галактических стен. Окончательные ответы о природе тёмной материи могли бы стать ближе, если бы её удалось получить лабораторными способами, но пока явления, объяснимые с привлечением тёмной материи, подтверждают неполноту нашего понимания гравитации, а также подсказывают, что следует продолжать поиски новых элементарных частиц за пределами Стандартной Модели.