Рецепт темной материи может включать сверхкритическую жидкость
За годы исследований стало понятно, что темная материя ведет себя отвратительно. Этот термин был введен около 80 лет назад астрономом Фрицем Цвикки, который осознал, что для того, чтобы не дать отдельным галактикам сбегать в гигантских галактических скоплениях, необходима некая гравитационная сила. Уже позже Вера Рубин и Кент Форд использовали невидимую темную материю для объяснения того, почему галактики не разлетаются.
Тем не менее, хотя мы используем термин «темная материя» для описания двух этих ситуаций, непонятно, вовлечен ли в каждую из них один и тот же виновник. Простейшая и самая популярная модель утверждает, что темная материя состоит из слабо взаимодействующих частиц, которые медленно движутся под действием силы тяжести. Эта так называемая «холодная» темная материя точно описывает крупномасштабные структуры, такие как скопления галактик. Но она плохо справляется с прогнозированием кривых вращения отдельных галактик. Темная материя словно по-другому действует в таких масштабах.
В попытке разрешить эту головоломку, недавно два физика предположили, что темная материя может менять фазы при изменении масштабов. Джастин Хоури, физик Университета штата Пенсильвания, и его бывший аспирант Лаша Бережиани, работающая в Принстонском университете, говорят, что в холодной и плотной среде галактического гало темная материя конденсируется в сверхкритическую жидкость — экзотическое квантовое состояние вещества с нулевой вязкостью. Если темная материя образует сверхкритическую жидкость в галактическом масштабе, может возникать новая сила, которая объяснила бы наблюдения, не укладывающиеся в модель холодной темной материи. Но в масштабах галактических скоплений особых условий, необходимых для образования сверхкритического состояния, не существует; здесь темная материя будет вести себя как обычная холодная темная материя.
«Это прекрасная идея», говорит Тим Тайт, физик частиц из Калифорнийского университета в Ирвине. «Два разных типа темной материи описываются одной вещью». И скоро эту любопытную идею можно будет проверить. Хотя другие физики уже рассматривали подобные идеи, Хоури и Бережиани близки к тому, чтобы извлечь проверяемые прогнозы, которые позволили бы астрономам исследовать, плавает ли наша галактика в море сверхкритической жидкости.
Невозможные сверхтекучие жидкости
На Земле сверкритические жидкости нельзя назвать чем-то заурядным. Но физики готовят их в своих лабораториях с 1938 года. Охладите частицы до достаточно низких температур, и начнет проявляться их квантовая природа. Они начнут волноваться, а волны будут перекрываться, пока в конечном итоге не начнут вести себя как один большой «сверхатом». Они станут когерентными, подобно частицам света в лазере, которые имеют одну энергию и вибрируют как одна. В наши дни даже студенты создают конденсаты Бозе — Эйнштейна в лаборатории, многие из которых можно классифицировать как сверхкритические жидкости.
Явлений сверхтекучести в повседневном мире не существует — слишком тепло, чтобы могли проявиться нужные квантовые эффекты. Из-за этого «еще лет десять назад люди просто отказались бы от этой идеи и сказали, что это невозможно», говорит Тейт. Но в последнее время все больше физиков приходят к мысли, что сверхкритические фазы образуются естественным образом в экстремальных условиях космоса. Сверхтекучесть может быть внутри нейтронных звезд, да и само пространство-время, по мнению некоторых, может быть сверхкритической жидкостью. Почему бы темной материи не быть таковой?
Чтобы сделать набор частиц сверхкритической жидкостью, необходимо выполнить два условия: упаковать частицы с высокой плотностью и охладить их до чрезвычайно низких температур. В лаборатории физики (или студенты) ограничивают частицы в электромагнитной ловушке, а затем облучают лазерами, чтобы убрать кинетическую энергию и понизить температуру почти до абсолютного нуля.
Внутри галактик роль электромагнитной ловушки будет играть гравитационное притяжение галактики, которое сожмет темную материю достаточно, чтобы удовлетворить критерий плотности. С температурой проще: в космосе очень холодно.
За пределами гало, которые обнаруживаются в непосредственной близости галактик, сила тяжести слабее, а темная материя не будет упакована достаточно плотно, чтобы перейти в сверхкритическое состояние. Она будет действовать как обычная темная материя, объясняя, что видят астрономы в больших масштабах.
Во вращающемся сверхтекучем гелии образуются небольшие вихри
Но что такого особенного в том, что темная материя будет сверхтекучей? Как это особое состояние изменит поведение темной материи? За последние годы многие ученые задумывались над этим вопросом. Но подход Хоури уникален, поскольку демонстрирует, как сверхтекучесть могла бы дать начало новой силе.
В физике, если вы нарушаете поле, вы создаете волну (зачастую). Встряхните несколько электронов — например, в антенне — и вы нарушите электрическое поле и получите радиоволны. Потревожьте гравитационное поле двумя сталкивающимися черными дырами — и получите гравитационные волны. Точно так же, если вы толкнете сверхжидкость, вы произведете фононы — звуковые волны в самой сверхтекучей жидкости. Эти фононы рождают дополнительную силу в дополнение к гравитации, аналогичной электростатической силе между заряженными частицами. «Это хорошо, потому что у вас есть дополнительная сила поверх гравитации, при этом внутренне привязанная к темной материи», говорит Хоури. «Именно это свойство среды из темной материи дает рост этой силе». Она могла бы объяснить странное поведение темной материи в галактических гало.
Еще одна частица темной материи
Охотники на темную материю ищут ее уже давно. Их усилия были сосредоточены на так называемых слабо взаимодействующих массивных частицах, или WIMP. WIMP были популярны, потому что эти частицы не только могли бы объяснить большинство астрофизических наблюдений, но и выходят естественным образом из гипотетических расширений Стандартной модели физики частиц.
Тем не менее никто никогда не видел WIMP, и эти гипотетические расширения Стандартной модели также не показывались в экспериментах, к большому разочарованию физиков. С каждым новым нулевым результатом перспективы мрачнеют все больше, и физики все чаще рассматривают других кандидатов на темную материю. «В какой момент мы должны решить, что лаем не на то дерево?», задается вопросом Стейси Макгох, астроном Университета Кейс Вестерн Резерв.
Частицы темной материи, которые подразумевает работа Хоури и Бережиани, решительно не похожи на WIMP. WIMP должны быть довольно массивными для фундаментальных частиц — примерно в 100 протонов массой. Чтобы сработал сценарий Хоури, частицы темной материи должны быть в миллиард раз легче. Соответственно, во Вселенной их будет в миллиарды раз больше — и этого хватит, чтобы объяснить наблюдаемые эффекты темной материи и достичь плотности, необходимой для образования сверхкритической жидкости. Кроме того, обычные WIMP не взаимодействуют между собой. Но сверхтекучие частицы темной материи должны будут сильно взаимодействовать.
Ближайшим кандидатом является аксион, гипотетическая сверхлегкая частица с массой, которая может быть в 10 000 триллионов триллионов раз меньше массы электрона. По словам Чанды Прескод-Вайнштейн, физика-теоретика из Университета Вашингтона, аксионы могли бы теоретически конденсироваться в конденсат Бозе — Эйнштейна.
Но стандартный аксион не совсем удовлетворяет нужды Хоури и Бережиани. В их модели частицы должны испытывать сильное отталкивающее взаимодействие между собой. Типичные модели аксионов взаимодействуют слабо и притягивающе. К слову, «я думаю, все полагают, что темная материя взаимодействует сама с собой на определенном уровне», говорит Тейт. Нужно только понять, сильное это или слабое взаимодействие.
В поисках космической сверхтекучести
Следующим шагом для Хоури и Бережиани станет выяснение того, как проверить их модель — найти говорящую сигнатуру, которая могла бы отличить концепцию сверхкритической жидкости от обычной холодной темной материи. Одна из возможностей: вихри темной материи. В лаборатории вращающиеся сверхкритические жидкости порождают закрученные вихри, которые продолжаются, не теряя при этом энергии. Гало сверхтекучей темной материи в галактике должны вращаться достаточно быстро, чтобы создавать массивы вихрей. Если бы эти вихри были достаточно массивными, их можно было бы обнаружить непосредственно.
К сожалению, это маловероятно: последние компьютерные модели Хоури показывают, что вихри в сверхтекучей темной материи будут «довольно хлипкими» и вряд ли будут существовать на самом деле. Он предполагает, что можно было бы использовать феномен гравитационного линзирования, чтобы увидеть какие-либо эффекты рассеяния, подобно тому как кристалл рассеивает проходящий через него рентгеновский свет.
Астрономы также могли бы поискать косвенные доказательства того, что темная материя ведет себя как сверхкритическая жидкость. С этой целью они будут изучать слияния галактик.
Скорость, с которой галактики сталкиваются между собой, определяется динамическим трением. Представьте массивное тело, проходящее через море частиц. Множество частиц поменьше будут притянуты массивным телом. И поскольку общий импульс системы не изменится, массивное тело должно немного замедлиться, чтобы компенсировать это.
Это происходит, когда две галактики начинают сливаться. Если они подойдут достаточно близко, гало их темной материи начнет проходить одно через другое, и перегруппировка независимо движущихся частиц приведет к динамическому трению, стягивая гало еще ближе. Этот эффект помогает галактикам сливаться и наращивает темпы слияния галактик по Вселенной.
Но если бы гало темной материи было в состоянии сверхкритической жидкости, частицы двигались бы синхронно. И не было бы трения, сближающего галактики, им было бы труднее сливаться. Все это составило бы красноречивую картину: колебания интерференционных картин в распределении материи по галактикам.
Допустимые чудеса
Хотя Макгох положительно относится к идее сверхтекучей темной материи, он признает, что пытаясь так усердно объединить лучшее из обоих концепций, физики могут прийти к «решению Тихо Браге». Датский астроном 16 века изобрел гибридную космологию, в которой Земля была центром Вселенной, но все остальные планеты вращались вокруг Солнца. Он попытался провести черту между древней системой Птолемея и коперниканской космологией, которая в конечном итоге ее заменила. Возможно, ученые упускают нечто фундаментальное. Но идея стоит рассмотрения.
Тейт считает новую модель прекрасной в целом, но хотел бы, чтобы она больше конкретизировалась на микроскопическом уровне, до такой степени, чтобы «мы могли все рассчитать и показать, почему все это работает так, как должно работать. Нужно всего лишь несколько чудес», чтобы все встало на свои места. Возможно, эти чудеса вполне допустимы, но он не уверен.
Хотя ученые экспериментировали со сверхтекучей жидкостью много десятилетий, физики частиц только начинают в полной мере осознавать полезность идей, выходящих из области физики конденсированных сред. Совместив эту физику с гравитационной физикой, можно было бы разрешить давно бурлящий вопрос темной материи — и кто знает, какие еще прорывы нас ждут?
«Нужны ли мне сверхтекучие модели? Не совсем, — говорит Прескод-Вайнштейн. — Но Вселенная может этим заниматься. Она может естественным образом формировать конденсаты Бозе — Эйнштейна, как и мазеры естественным образом образуются в туманности Ориона. Нужны ли мне мазеры в космосе? Нет, но они прикольные».
