Темную материю ищут методом исключения

"С помощью простых наблюдений можно исключить из списка кандидатов на роль темной материи большое количество частиц, которые невозможно или крайне трудно исследовать в экспериментальных условиях, - говорит физик Крис Куварис (Chris Kouvaris) из Университета Южной Дании. - Более дешевые наблюдения могут существенно ускорить решение самой волнующей загадки строения Вселенной".

Есть несколько конкурирующих теорий о том, из чего состоит темная материя. Одна из наиболее широко распространенных, гласит, что темная материя состоит из гипотетических слабо взаимодействующих массивных частиц (WIMP). Физики в поисках вимпов разместили экспериментальные детекторы глубоко под землей в шахтах, горах, под водой и с нетерпением ждут, когда мифические частицы темной материи можно будет поймать и изучить. Предполагается, что вимпы составляют до 23% плотности Вселенной, но все это пока только догадки.

Некоторые физики ищут темную материю в звездах, в том числе в Солнце или белых карликах. Но подземные детекторы и наблюдения за звездами дают надежду обнаружить частицы только не меньше определенного размера. Этот размер очень мал, однако частицы темной материи могут оказаться еще меньше. Один из способов обнаружения таких микроскопических частиц с помощью наблюдений за нейтронными звездами предложили Крис Куварис и его коллега Петр Тиняков (Peter Tinyakov) из Брюссельского университета.

Нейтронные звезды это холодные, плотные остатки массивных звезд, которые погибли во взрыве сверхновой. Они как правило имеют массу, сравнимую с солнечной, но в диаметре едва достигают пары десятков километров. Огромная плотность нейтронных звезд делает их идеальной ловушкой для темной материи.

"Благодаря своему размеру и температуре нейтронные звезды имеют наибольшую эффективность захвата вимпов, - объясняет Крис Куварис. – Нейтронные звезды позволят обнаружить частицы в 100 раз меньшие, чем позволяют возможности подземных детекторов".

После взрыва нейтронные звезды медленно охлаждаются в течение миллионов лет, излучая фотоны. Но если вимпы уничтожают друг друга, как частица обычной материи и частица антивещества, тогда темная материя должна разогревать эти холодные звезды изнутри. Ученые рассчитали минимальную температуру вимп-горящей нейтронной звезды, она составляет около 100°C тыс. Это более чем в 10 раз горячее, чем поверхность Солнца, но более чем в 100 раз холоднее, чем температура вещества внутри Солнца. Расчетная температура также значительно ниже, чем у любой наблюдаемой ныне нейтронной звезды.

Предполагается, что темная материя вместе с обычной концентрируется в одних и тех же местах, например в центре галактики или звездных шаровых скоплениях. Куварис и Тиняков считают, что астрономы должны попытаться найти в этих богатых темной материей регионах более холодные, чем окружающая среда, нейтронные звезды. Это сразу исключит целый класс кандидатов на роль вимп-частиц, так как докажет, что вимпы имеют сверхмалые размеры или не взаимоуничтожаются при встрече друг с другом. Подобные данные в настоящее время экспериментально получить нельзя.

Астрономов вдохновила эта новая мысль. "Это интригующая идея, - говорит астроном Дэвид Каплан (David Kaplan) из Университета Висконсин-Милуоки. - Правда я немного сомневаюсь, что это может быть реализовано сегодня или даже в ближайшем будущем". Скептицизм астронома можно понять: в центре галактики огромные массы пыли, которые мешают наблюдениям. В то же время большинство шаровых скоплений находятся так далеко, что крошечные холодные нейтронные звезды в современные телескопы просто нельзя обнаружить. Возможно, следующее поколение ультрафиолетовых телескопов сможет сделать это, однако даже в перспективе это будет очень непросто.

Астроном Боб Рутледж (Bob Rutledge) из Университета Макгилла предлагает альтернативный подход: вместо того чтобы искать слабый свет нейтронных звезд, можно попробовать найти их по ряби в пространстве-времени, которая называется гравитационными волнами. При слиянии двух нейтронных звезд образуется огромное количество этих волн, которые могут обнаружить современные наземные детекторы вроде лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории LIGO. "Это технически трудно и базируется на поиске узкого перечня нейтронных звезд, но вполне реально и может принести результат", – говорит Боб Рутледж.