Темна матерія продовжує ставити перед наукою загадки, поки що уникаючи будь-яких спроб її розгадати.
Згідно з новим дослідженням, підказки можуть ховатися в Центральній молекулярній зоні Чумацького Шляху — величезній області молекул водню, що оточує центр нашої галактики.
Темна матерія становить близько 85 відсотків усієї матерії у Всесвіті, однак вона не взаємодіє зі світлом і, здається, взаємодіє зі звичайною матерією лише через гравітацію. Ми знаємо про її існування завдяки гравітаційним ефектам, але майже нічого більше про неї не відомо.
«Дані говорять нам, що темна матерія може бути набагато легшою, ніж ми вважали раніше», — говорить теоретичний фізик Ш’ям Балажі з Королівського коледжу Лондона.
Центральна молекулярна зона (ЦМЗ) Чумацького Шляху не схожа на більшу частину нашої галактики. Майже 80 відсотків її щільного газу зосереджено тут, утворюючи холодні скупчення, відомі як молекулярні хмари. Гази в ЦМЗ рухаються зі швидкістю сотень кілометрів на секунду.
У цих гігантських хмарах формуються нові молекули, особливо молекули водню. Деякі з них також є зоряними яслами, де скупчення газу та пилу перетворюються на зірки.
У ЦМЗ є багато особливостей, але нове дослідження зосередилося на одній з них: незвично позитивному заряді газу, який зазвичай є нейтральним. Це натякало на те, що щось вибиває електрони з молекул водню.
Досліджуючи це явище, Балажі та його колеги з Іспанії та Франції припустили, що воно може бути пов’язане з «темним сектором» — гіпотетичною системою квантових полів, яка може пояснити існування темної матерії.
У пошуках частинки темної матерії науковці довго зосереджувалися на гіпотетичних «слабковзаємодіючих масивних частинках» (WIMPs), які взаємодіють зі звичайною матерією лише через два з чотирьох фундаментальних сил: гравітацію та слабку ядерну взаємодію.
Однак попри десятиліття досліджень, існування WIMPs досі не підтверджене. Через це багато науковців закликають до ширшого підходу в пошуку темної матерії.
Одним із можливих варіантів є частинки темної матерії меншої маси, які ще слабше взаємодіють із нашим «видимим» світом.
Балажі припускає, що саме такі легші частинки можуть пояснити позитивний заряд молекулярних хмар у ЦМЗ.
«У центрі нашої галактики розташовані величезні хмари позитивно зарядженого водню, і це залишалося загадкою для науковців протягом десятиліть, адже зазвичай газ є нейтральним. Тож що ж надає йому достатньо енергії, щоб вибити електрони?» — каже він.
«Енергетичні сигнатури, що виходять із цієї частини галактики, свідчать про постійне джерело енергії, яке може сприяти цьому процесу. Наші дані вказують, що воно може походити від набагато легшої форми темної матерії, ніж передбачають сучасні моделі».
Коли частинки легкої темної матерії стикаються між собою, утворюються пари заряджених частинок, що не належать до темної матерії. Цей процес називається анігіляцією.
Такі заряджені частинки можуть іонізувати молекули водню, спричиняючи утворення позитивно заряджених молекулярних хмар, подібних до тих, що спостерігаються в ЦМЗ.
Раніше вчені припускали, що джерелом іонізації можуть бути космічні промені, але отримані енергетичні сигнатури свідчать, що цього недостатньо.
Водночас явище не можна пояснити WIMPs, оскільки процес іонізації відбувається повільніше за вплив космічних променів і передбачає частинки меншої маси.
Таким чином, дослідження підтримує гіпотезу існування легшої темної матерії. Проте ці висновки поки що залишаються спекулятивними, і потрібні подальші дослідження, щоб підтвердити або спростувати їх.
Науковці підкреслюють, що їхнє дослідження демонструє важливість ширшого підходу до пошуків темної матерії, зокрема за межами Землі.
«Пошук темної матерії — одне з найважливіших завдань фундаментальної науки. Але більшість експериментів проводять на Землі, очікуючи, що темна матерія сама “зайде в пастку”», — зазначає Балажі.
«Натомість, заглядаючи в центр Чумацького Шляху, ми бачимо, що водневий газ у ЦМЗ підказує нам, що ми, можливо, ближче до розкриття таємниці темної матерії».