Уявіть, що невидима речовина, яка тримає галактики від розльоту, повільно "випаровується" у ще дивніші частинки, що буквально заповнюють Всесвіт гравітацією. Саме таку картину пропонує нова робота фізиків, про яку розповідає ScienceAlert: темна матерія може розпадатися на гіпотетичні гравітони, а ті — перетворюватися на світло.

Чому ідея "випаровування" темної матерії така дивна

Зазвичай темну матерію уявляють як невидимий "каркас" Всесвіту: вона тримає галактики разом, але сама майже ні з чим не взаємодіє, окрім гравітації. Це щось на кшталт прозорого бетону, з якого збудовано космічний міст, — ми бачимо лише машини (зорі й газ), але не опори.

Нове дослідження додає до цієї картини парадоксальний штрих: можливо, частинки темної матерії не вічні, а повільно розпадаються на ще більш невловимі частинки — гравітони. Ті, у свою чергу, можуть перетворюватися на фотони, тобто частинки світла. Виходить, що невидима «арматура» Всесвіту може поступово перетікати у світлові спалахи, які ми здатні зафіксувати.

Що таке гравітони і як працює ефект Герценштейна

Гравітони — це гіпотетичні частинки, які мали б переносити силу гравітації, подібно до того, як фотони переносять електромагнітну взаємодію. Про них говорять уже понад століття, але прямих доказів їхнього існування немає. Їхні взаємодії, ймовірно, настільки слабкі, що деякі фізики вважають: ми ніколи не зможемо їх безпосередньо виявити.

Тому команда вчених пропонує обійти цю проблему хитрим шляхом. Вони спираються на ефект Герценштейна: у великомасштабних магнітних полях гравітон може перетворитися на фотон. Це трохи схоже на те, як невидима хвиля, проходячи крізь особливе середовище, раптом стає видимим спалахом.

Якщо темна матерія розпадається на гравітони, а ті мандрують крізь космічні магнітні поля, частина з них може «переключитися» у фотони — зокрема у вигляді гамма-випромінювання. Саме ці фотони й пропонують шукати дослідники.

Де у Всесвіті шукати сліди такого розпаду

За версією авторів роботи, усе починається в ранньому Всесвіті. Частинки темної матерії могли розпадатися на гравітони, які потім поширювалися між галактиками. На своєму шляху вони проходили крізь гігантські космічні філаменти — ниткоподібні структури з газу, пилу та зір, що формують так звану космічну павутину, найбільшу відому структуру у Всесвіті.

Оцінки свідчать, що ці філаменти можуть займати до 30 % нашого поточного об’єму Габбла — тієї частини Всесвіту, яку ми можемо спостерігати, попри його розширення. Саме в цих філаментах, за розрахунками, найімовірніше відбувається перетворення гравітонів на фотони.

Філаменти мають великі, але дуже слабкі магнітні поля, які залишаються відносно однорідними на мільйонах світлових років. Їхня напруженість — лише мільярдні частки від гауса. Для порівняння: магнітне поле на поверхні Землі — приблизно 0,5 гауса, і навіть воно у сто разів слабше за звичайний магніт на холодильнику. Тобто ми говоримо про надзвичайно тонкі, але колосально протяжні «магнітні нитки», що пронизують космос.

Як зрозуміти, що ми справді бачимо сліди темної матерії

Ключ до перевірки цієї ідеї — гамма-випромінювання. Дослідники пропонують шукати надлишковий потік гамма-променів порівняно з фоновим рівнем, який уже вимірює космічний телескоп Fermi, що спостерігає за небом у гамма-діапазоні.

Якщо виявиться, що з міжгалактичного простору надходить більше гамма-променів, ніж очікується від відомих джерел, це може бути натяком на ланцюжок «темна матерія → гравітони → фотони». При цьому сигнал, за розрахунками, має надходити переважно з позагалактичних джерел, а не з центру нашої Галактики, де багато хто зараз шукає сліди темної матерії.

Важлива деталь: запропонований механізм повністю вкладається у Стандартну модель фізики частинок. Єдина «нова» складова — припущення, що темна матерія може розпадатися на гравітони. Саме це робить сценарій привабливим: він не вимагає екзотичної фізики, окрім самої природи темної матерії.

Що буде далі і які інструменти потрібні

Подальші дослідження можуть включати огляд неба за допомогою Advanced Particle-astrophysics Telescope — запропонованої космічної обсерваторії нового покоління. Якщо її запустять, очікується, що вона зможе підвищити чутливість до такого каналу розпаду темної матерії приблизно на порядок порівняно з телескопом Fermi.

Це означає, що ми зможемо або побачити перші натяки на «випаровування» темної матерії у гравітони, або суттєво обмежити подібні сценарії. У будь-якому разі такі спостереження допоможуть звузити коло можливих пояснень того, з чого ж насправді складається більша частина матерії у Всесвіті.

Це вже відкриття чи лише теоретична пропозиція?

Йдеться про теоретичну роботу, опубліковану в журналі Physical Review D. Вона пропонує новий спосіб шукати сліди темної матерії через її можливий розпад на гравітони та подальше перетворення на фотони, але сам процес ще не спостерігали.

Чому вчені раніше не шукали темну матерію таким способом?

Більшість попередніх підходів була зосереджена на прямому виявленні частинок темної матерії або на пошуку їхньої самознищувальної взаємодії, наприклад у центрі галактик. Ідея використати ефект Герценштейна та міжгалактичні філаменти як «перетворювачі» гравітонів на фотони — відносно новий і більш непрямий шлях.

Чи суперечить цей сценарій іншим теоріям темної матерії?

Не обов’язково. Він додає ще один можливий канал поведінки темної матерії, не заперечуючи інші моделі. Якщо спостереження не виявлять очікуваного гамма-сигналу, це просто звузить діапазон параметрів, у яких такий розпад міг би відбуватися.

Коли ми зможемо дізнатися, чи правильна ця ідея?

Часові рамки залежать від розвитку гамма-астрономії. Уже зараз дані телескопа Fermi дозволяють перевіряти частину передбачень. Запуск більш чутливих інструментів, таких як Advanced Particle-astrophysics Telescope, якщо він відбудеться, може протягом наступних років дати значно точніші відповіді.

Якщо темна матерія справді повільно перетворюється на гравітони, а ті — на світло, то невидимий «скелет» Всесвіту виявляється не статичною конструкцією, а процесом, що триває прямо зараз. Це змушує дивитися на космос не як на застиглу картинку з прихованим фоном, а як на динамічну гру сил, де навіть найтемніші компоненти можуть залишати яскраві сліди.