Новые данные показывают, что темная материя может состоять из темных фотонов

Данные, собранные спектрографом Cosmic Origins Spectrograph (COS) на борту «Хаббла», показали, что межгалактические космические нити горячее, чем предсказывают гидродинамические симуляции стандартной модели формирования структуры. По мнению исследователей из Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati (SISSA) и их коллег, это может быть связано с присутствием темных фотонов.

Темная материя — это гипотетический материал, существование которого может объяснить образование и эволюцию крупных структур во Вселенной, таких как скопления галактик. Она никогда не наблюдалась непосредственно, и ее точная природа остается загадкой. Чтобы узнать больше о свойствах темной материи, ученые исследуют характеристики света, испускаемого далекими квазарами, который несет в себе сигнатуры поглощения водородного газа, встречающегося на его пути.

Таким образом, в спектрах квазаров видны характерные линии. Однако некоторые из этих линий шире, чем ожидалось. Ученые из SISSA предполагают, что это явление может быть связано с присутствием темных фотонов. «Темные фотоны способны преобразовываться в низкочастотные фотоны и нагревать космические структуры«, — объясняют исследователи в пресс-релизе. Нагрев газовых облаков действительно приводит к уширению линий поглощения.

Когда свет от далекого квазара проходит через несколько газовых облаков с разными красными смещениями, образуется несколько линий поглощения. Наиболее важной линией является так называемая альфа-линия Лаймана (Ly-α) водорода, которая соответствует переходу атомного электрона из первого возбужденного состояния в основное состояние; она излучается в ультрафиолете (при 121,5 нанометрах). Каждое встреченное облако газа будет генерировать такую линию, поэтому специалисты называют спектр квазаров «лесом альфа Лаймана».

Эти линии позволяют не только изучать распределение этих газовых облаков в пространстве (определяя их местоположение), но и непосредственно измерять количество содержащегося в них газа. Ширина, высота и другие свойства линий поглощения позволяют исследователям сделать вывод о некоторых характеристиках облаков (плотность, температура и т.д.). «Лес Ly-α также является калориметром; ширина линий поглощения чувствительна к температуре межгалактического водорода«, — объясняет команда в своей статье.

Ученые используют эти данные для проверки своих моделей распределения материи в галактиках и других мегаструктурах во Вселенной. Когда речь идет об очень далеких газовых облаках — с высоким красным смещением — моделирование достаточно хорошо согласуется с данными наблюдений. Однако для более близких газовых облаков (z ≃ 0.1) возникает несоответствие: эти облака дают более широкие линии поглощения, чем ожидалось. Джеймс Болтон, астрофизик из Ноттингемского университета, и его соавторы предполагают, что за это уширение ответственны темные фотоны.

«Мы впервые использовали данные о межгалактической среде с малым смещением в качестве калориметра, чтобы проверить, достаточно ли всех известных нам процессов нагрева для воспроизведения данных. Мы обнаружили, что это не так: чего-то не хватает, что мы моделируем как вклад, производимый темным фотоном«, — резюмирует Маттео Виель из SISSA.

Теоретически, темные фотоны имеют массу на двадцать порядков меньше массы электрона. Они должны смешиваться с обычными фотонами (Стандартной модели), как различные типы нейтрино — сверхлегкие темные фотоны таким образом спонтанно превращаются в обычные фотоны. Как сообщается в журнале Physics Magazine, однако, это преобразование может быть усилено, когда темные фотоны попадают в ионизированный газ, который удовлетворяет условию резонанса, т.е. имеет определенную плотность.

Обычные фотоны, поглощенные межгалактической средой, затем нагреют космическую паутину. «Темные фотоны с массой около 8 × 10^-14 эВ.с^-2 и кинетическим смешением около 5 × 10^-15 могут удовлетворять избыточному нагреву«, — детализируют исследователи. Но в отличие от других механизмов нагрева, основанных на астрофизических процессах (таких, как звездообразование и галактические ветры), этот процесс нагрева более диффузный и эффективен даже в регионах с низкой плотностью. Команда также считает, что этот процесс мог происходить в более отдаленных облаках, которые когда-то удовлетворяли условиям резонанса.

Эта работа позволила оценить массу и смешивание темных и обычных фотонов, необходимое для согласования расхождения между наблюдениями и моделированием. Таким образом, это может быть первым указанием на существование темной материи, которая не наблюдается через ее гравитационное воздействие.

Однако спектральные данные можно объяснить и другими источниками тепла, например, струями от сверхмассивных черных дыр в центре галактик. Поэтому будут проведены дальнейшие теоретические и наблюдательные исследования для дальнейшего изучения возможности того, что темный фотон является компонентом темной материи.