Загадочная аномалия: многие межгалактические газовые облака теплее, чем должны быть. Но что их греет, до сих пор оставалось загадкой. Теперь физики, кажется, смогли найти причину: «темные фотоны». Эти потенциальные частицы темной материи могут трансформироваться в обычные фотоны при определенных условиях, выделяя при этом тепло. Согласно моделированию, наблюдаемая аномалия точно соответствует этому эффекту, сообщают исследователи.
Когда свет далеких квазаров и галактик пронизывает межгалактические газовые облака, атомы и молекулы этой среды оставляют в световом спектре характерные линии поглощения. При этом наиболее заметными являются спектральные линии водорода, так называемые линии Лаймана-альфа. В зависимости от расстояния до газообразного водорода эти линии смещены на разное расстояние в длинноволновую область, поэтому в спектрах часто из них виден целый «лес».
Загадка слишком широких спектральных линий
Однако странно, что линии Лаймана-альфа некоторых межгалактических облаков необычайно сильно расширены.
«Лес Лайман-альфа подобен калориметру: ширина линий поглощения отражает температуру межгалактического водорода».
Джеймс Болтон, Ноттингемский университет, и коллеги
Согласно современным моделям, этот водород нагревается в основном УФ-излучением звезд и квазаров. Для далеких облаков космического водорода расширение линий хорошо согласуется и с нагревающим эффектом этого излучения. Однако это не относится к межгалактическому водороду в нашем космическом окружении: вплоть до красного смещения около z=2 линии Лайман-альфа значительно шире, чем должны быть.
«Это говорит о том, что здесь работает нагрев, которого нет в моделях».
Джеймс Болтон и коллеги
Согласно измерениям, это дополнительное тепло соответствует энергии до 6,9 электрон-вольт на протон.
Темные фотоны как возбудители?
Межгалактическая среда в нашем космическом окружении горячее, чем должна быть
Но откуда берется эта энергия? Болтон и его команда подозревают в этом особую частицу:
«Избыточное тепло может быть признаком темных фотонов — кандидатов на частицы темной материи».
Соавтор исследования Андреа Капуто, CERN, Женева
Когда эти темные фотоны сталкиваются с облаками ионизированного газа определенной плотности, могут возникать резонансные эффекты, преобразующие их в нормальные фотоны, высвобождая при этом энергию.
«В результате темный фотон может нагревать межгалактический газ, что делает линии поглощения шире».
Андреа Капуто
Используя симуляции физической модели, исследователи выясняли, может ли наблюдаемое расширение альфа-линий Лаймана объясняться этим процессом преобразования. В частности, они проанализировали плотность газовых облаков, при которой возникает необходимый резонансный эффект и какую массу должны бы иметь гипотетические частицы.
Модель соответствует данным наблюдений
Результат: межгалактические газовые облака в нашем непосредственном космическом окружении имеют плотность, соответствующую эффекту резонанса. Следовательно, в них может происходить превращение темных фотонов в их нормальные аналоги.
«Поэтому большинство резонансных преобразований происходит при красном смещении z=2. Значит, это могло бы объяснить расширение линий поглощения при малых красных смещениях».
Джеймс Болтон и коллеги
В отличие от водородных облаков в нашем ближайшем космическом окружении, находящиеся дальше уже не имеют необходимой плотности для этого процесса. Поэтому их линии Лаймана-альфа меньше отклоняются от теоретически ожидаемых значений. Однако даже в этих далеких межгалактических облаках небольшая часть наблюдаемого расширения линий может быть связана с темными фотонами.
«Интересно то, что в лесу Лайман-альфа на самом деле есть доказательства того, что и межгалактическая среда горячее при красном смещении z=3, чем предсказывается в канонических моделях УФ-нагрева».
Джеймс Болтон и коллеги
Не единственный кандидат
«Наше исследование — первый убедительный признак того, что объяснить наблюдения может и поступающая энергия темной материи».
Джеймс Болтон и коллеги
Если темные фотоны существуют, то модель сужает их энергию и, следовательно, их массу примерно до десяти квадриллионных долей электрон-вольта на квадратный метр скорости света (10 -14/c2 ). Это соответствует примерно 0,1 триллионной части массы электрона.
Однако физики признают, что не могут исключить и других объяснений расширения спектральных линий.
«Если же будущие исследования исключат эти общепринятые объяснения, мы, возможно, обнаружим первый эффект темной материи, не связанный с гравитацией».
Космолог Сэм Витте, Амстердамский университет.
Источник информации и фото: s
Комментариев нет:
Отправить комментарий