Экзотические теории темной материи. Если вы являетесь поклонником всех удивительных вещей во вселенной, то эта статья для вас.
Большая часть содержимого нашей вселенной имеет форму, совершенно неизвестную физике. Это просто необработанный факт, к которому нам всем придется привыкнуть. Если вы склонны думать, что это просто какая-токосмологический проблема, проблема, которая возникает только в самых больших масштабах, ну тогда у меня плохие новости для вас. Один из этих загадочных компонентов космоса - насколько мы можем судить - форма материи.
Но не просто какая-либо форма материи, иначе мы бы уже видели это. Нет, мы думаем, что это своего родатьма дело; материя, которая просто не взаимодействует со светом. Нет эмиссии. Нет поглощения. Нет рассеяния. Ничего. И тот факт, что темная материя существует, не должно бытькоторый удивительно, не так ли? В конце концов, кто продиктовал, что все во вселеннойдолжен взаимодействовать со светом?
Никто не сделал, и вот мы здесь. Если вы посмотрите на случайную галактику, то вещество, которое светится - звезды, туманности и т. Д. - представляет лишь небольшую долю от общего количества массы в этой галактике. Точное соотношение между «нормальной» материей и темным материалом зависит от множества факторов, таких как история формирования галактики. Но в целом, чем меньше галактика, тем больше в ней преобладает темная материя.
Самые маленькие галактики, известные как карликовые галактики, могут стать удобной лабораторией для изучения темной материи. В этих галактиках темная материя свободна делать то, что делает темная материя без какой-либо этой надоедливой взаимодействующей со светом материи, чтобы действительно усложнять вещи. Если темная материя совершает что-то странное (ну, более странное, чем просто существующее), например, взаимодействует с самим собой через слабую ядерную силу или состоит из множества видов экзотических частиц, то любые эффекты будут проявляться в карликовой галактике более отчетливо, чем нечто подобное Млечный путь.
Это все здорово и хорошо, за исключением небольшого предостережения о том, что, хотя вся эта интересная физика происходит под капотом, нам трудно это увидеть. Потому что темно.
Одна из многих вещей, которые мы не понимаем в темной материи, это как она ведет себя в ядрах галактик. Простые симуляции эволюции галактики предсказывают нечто, называемое «куспид» - крепкий орешек невероятно высокой плотности, сидящий в кремообразном центре галактики. Но наблюдения не подтверждают этого: должно быть много звезд, следящих за гравитационным воздействием всей этой темной материи. И конечно, в центре галактики много звезд, но неткоторый многие.
Что-то должно сгладить центральную темную материю. Это могут быть экзотические взаимодействия в самой темной материи. Это могут быть более приземленные причины, такие как сверхновые, раздувающие газ. Это может быть и то, и другое.
Астрономы очень, очень заинтересованы в ядрах галактик, и особенно в гномах галактик, потому что именно там они потенциально могут многое узнать о темной материи. И, несмотря на их сложную, грязную физику, нам все еще нужны звезды и газ, чтобы наблюдать, исследовать и изучать карликовые галактики, надеясь, что мы сможем проследить поведение основной темной материи. Но карликовые галактики далеко, тусклые и маленькие - а их ядра еще более.
Как мы можем заглянуть внутрь них?
К счастью, в галактиках больше звездных граждан. У них также есть черные дыры. Гигантские сверхмассивные в их ядрах и миллионы мелких, плавающих в них. И тот факт, что гигантские черные дыры имеют тенденцию собираться в ядрах галактик-хозяев, может быть полезным. Так что, возможно, - поработайте со мной здесь - если бы мы могли как-то изучить поведение черных дыр внутри карликовых галактик, мы могли бы получить некоторые подсказки о природе темной материи.
Но черные дыры тоже черные и их трудно увидеть. И маленький. И далеко. К счастью, нам не нужно видеть черные дыры - мы можем их слышать.
Когда черные дыры сталкиваются, они настолько трясутся и деформируют ткань пространства-времени, что вызывают волны, похожие на рябь, распространяющуюся из тяжелого камня, упавшего в воду. Эти гравитационные волны распространяются по всему пространству со скоростью света, слегка растягивая и сжимая любую промежуточную материю, когда они проходят мимо. Фактически, когда вы читаете это, ваше тело тянет и прижимает, как кусок замазки от бесчисленных гравитационных волн, проходящих через Землю.
Эти волны гравитации безумно трудно обнаружить, поэтому первые люди, которые измерили их, получили несколько Нобелевских премий за их многолетнюю попытку использовать мешающие лучи света для захвата тонкого сигнала.
Но наши три гравитационные волновые обсерватории на поверхности Земли не могут помочь нам с нашей проблемой черной дыры внутри гнома-галактики-для-изучения-темной материи. Эти черные дыры - известные какчерные дыры средней массы - слишком малы для того, чтобы можно было обнаружить сигнальный путь здесь, в Млечном Пути, когда они сливаются.
Но гравитационно-волновая обсерватория в космосе могла. Предлагаемая миссия LISA (которая, как вы уже могли догадаться, подразумевает космическую антенну лазерного интерферометра) может иметь правильную чувствительность, чтобы видеть сигнал сливающихся черных дыр среднего размера, как те, что обнаружены в сердцах карликовых галактик.
И согласно новой статье, недавно принятой в «Астрофизическом журнале писем» под руководством Томаса Томфаля из Цюрихского университета, различные модели темной материи (и ее возможные взаимодействия с нормальным светолюбивым видом материи) могут влиять на то, как часто и как быстро черные дыры в карликовых галактиках сливаются, и это то, что Лиза может разделить.
Это окольный путь к пониманию темной материи, но в столь же неприятной, как эта, проблеме многообещающе.
Подробнее: «Формирование бинарных файлов LISA с черной дырой в слиянии карликовых галактик: отпечаток темной материи»
