Какъв е цветът на тъмната материя? Физиците предложиха два сценария за откриването ѝ по цвета на преминаващата през нея светлина

Ние си мислим, че тъмната материя съществува, защото забелязваме нейното гравитационно влияние навсякъде – от въртящите се галактики до светлинните клъстери от далечни квазари. Но никога не сме били в състояние да я видим. По дефиниция тя е „тъмна“ – не излъчва, не поглъща и не отразява светлината. Или поне така си мислехме.

Но какво би било, ако светлината все пак може да взаимодейства с частиците на тъмната материя, макар и изключително слабо? Ново изследване, публикувано в Physics Letters B, разглежда този въпрос. Авторите не само предполагат възможността за такова взаимодействие, но и моделират как то може да промени цвета на светлината, преминала през облак от тъмна материя.

По какъв начин „тъмнината“ може да взаимодейства със светлината?

Ако една частица няма електричен заряд, как може да взаимодейства с фотона – носителя на електромагнитното взаимодействие? Тук изследванията се насочват към квантовите ефекти. Пряко взаимодействие няма, но има обходни пътища.

Изследователите разглеждат два основни сценария, основани на съществуващите хипотези за природата на тъмната материя. И двата сценария не изискват никаква екзотична физика извън известните теории.

• Сценарий на слабите взаимодействия. В този вариант тъмната материя е хипотетичната частица WIMP (Weakly Interacting Massive Particle). Тя няма заряд, но може да взаимодейства с Хигс бозона. Хигс бозонът, от своя страна, може да взаимодейства с фотоните чрез цикли от виртуални частици. Съществува верига: фотонът взаимодейства с „кипящия“ вакуум, от който се ражда и изчезва двойка тежки частици, тази двойка взаимодейства с Хигс бозона, а той вече – с частица тъмна материя. Звучи объркващо, но това е стандартен механизъм във физиката на елементарните частици.
• Сценарий за гравитационно взаимодействие. Тук тъмната материя е частица, която взаимодейства с нашия свят само чрез гравитацията. В квантовия свят гравитацията трябва да се осъществява от нейния квант – хипотетичния гравитон. В този случай един фотон и една частица тъмна материя могат просто да си разменят гравитон.

Това са единствените възможни сценарии без участието на нови, все още неоткрити сили. И, както се оказа, те водят до съвсем различни резултати.

Първи сценарий: тъмната материя става червена

Изчисленията показват, че когато един фотон се разсее върху WIMP частица чрез механизма на Хигс, се случва нещо интересно. Вероятността за такова събитие силно зависи от енергията на фотона. Високоенергийните фотони – сините и виолетовите фотони – се разсейват много по-често от нискоенергийните фотони, т.е. червените фотони.

Ако поток от бяла светлина премине през плътен облак от такава тъмна материя, вероятността сините лъчи да бъдат отклонени встрани е по-голяма. По-вероятно е червените лъчи да преминат. В резултат на това светлината, преминаваща през облака, ще изглежда червеникава.

Втори сценарий: гравитационни цветове в синьо

Ами ако тъмната материя взаимодейства само гравитационно? Всъщност е обратното.

Гравитационното разсейване на светлината също зависи от енергията, но по различен начин. Изчисленията показват, че този процес разсейва по-ефективно фотоните с ниска енергия. Червените и оранжевите лъчи ще бъдат отклонявани по-често, отколкото сините и виолетовите лъчи.

Ако нашият поток от бяла светлина премине през облак от такава гравитационна тъмна материя, той ще загуби предимно червената част от спектъра. Светлината, която достига до наблюдателя, ще стане по-синя.

Освен това гравитационното разсейване има и друга особеност: то силно влияе върху поляризацията на светлината. Поляризацията е ориентацията на трептенията на светлинната вълна в пространството. Този ефект може да бъде дори по-забележим от промяната на цвета и може да се превърне в основен маркер за бъдещи наблюдения.

Как да проверим това на практика?

Теоретичните прогнози са добри, но има ли начин да ги проверим? Авторите на статията са направили първия опит. Те са взели публично достъпните данни от космическия телескоп Fermi-LAT, който наблюдава гама-лъчите – фотоните с най-висока енергия във Вселената.

По тяхната логика се предполага, че в центъра на нашата галактика се намира най-високата концентрация на тъмна материя. Светлината, която пътува към нас оттам, трябва да премине през този плътен облак. Ако съществува ефекта на разсейване, той би трябвало да остави следа в спектъра на това лъчение – малък спад при определени енергии.

Ясен сигнал не бе открит. Но както е обичайно в науката, отрицателният резултат също е резултат. Липсата на забележимо изкривяване на спектъра позволи на учените да определят горна граница за масата на частиците тъмна материя. Ако те бяха по-тежки от определена граница, ефектът им вече щеше да е видим в данните от Fermi-LAT.

Междувременно получихме още една хипотеза, която може да бъде проверена едва в бъдещето.