Темная материя - это призрачная субстанция, которую астрономы не могли обнаружить десятилетиями, но которая, как мы знаем, оказывает огромное влияние на обычную материю во Вселенной, такую как звезды и галактики. Благодаря мощному гравитационному притяжению, которое он оказывает на галактики, он раскручивает их, придает им дополнительный толчок вдоль их орбит или даже разрывает их на части. Подобно космическому карнавальному зеркалу, оно также преломляет свет от удаленных объектов, создавая искаженные или множественные изображения, процесс, который называется гравитационным линзированием. И недавние исследования показывают, что это может создать еще большую драму, производя взрывающиеся звезды. Несмотря на весь хаос, который она причиняет галактикам, не так много известно о том, может ли темная материя взаимодействовать сама с собой, кроме как посредством гравитации. Если она испытывает другие силы, они должны быть очень слабыми, иначе их бы измерили.
Возможный кандидат на роль частицы темной материи, состоящий из гипотетического класса слабо взаимодействующих массивных частиц (или WIMP), интенсивно изучался, пока что без каких-либо наблюдательных доказательств. В последнее время в центре внимания оказались другие типы частиц, также слабо взаимодействующие, но чрезвычайно легкие. Эти частицы, называемые аксионами, были впервые предложены в конце 1970-х годов для решения квантовой задачи, но они также могут подходить и для темной материи. В отличие от вимпов, которые не могут "склеиваться" друг с другом, образуя небольшие объекты, аксионы могут это делать. Поскольку они такие легкие, огромное количество аксионов должно было бы составлять всю темную материю, что означает, что их пришлось бы теснить вместе. Но поскольку они относятся к типу субатомных частиц, известных как бозоны, они не возражают.
Фактически, расчеты показывают, что аксионы могут быть упакованы настолько плотно, что они начинают вести себя странно — коллективно действовать как волна — в соответствии с правилами квантовой механики, теории, которая управляет микромиром атомов и частиц. Это состояние называется конденсатом Бозе-Эйнштейна, и оно может неожиданно позволить аксионам образовывать собственные "звезды". Это происходит, когда волна движется сама по себе, образуя то, что физики называют "солитоном", который представляет собой локализованный сгусток энергии, который может двигаться, не искажаясь и не рассеиваясь. Это часто можно наблюдать на Земле в виде вихрей и водоворотов или колец из пузырьков, которыми дельфины наслаждаются под водой. В новом исследовании приводятся расчеты, которые показывают, что такие солитоны в конечном итоге увеличились бы в размерах, превратившись в звезду, подобную по размеру обычной звезде или превышающую ее. Но, в конце концов, они становятся нестабильными и взрываются.
Энергия, выделяющаяся при одном таком взрыве (получившем название "босенова"), могла бы соперничать с энергией сверхновой (взрывающейся обычной звезды). Учитывая, что темная материя намного превосходит видимую материю во Вселенной, это, несомненно, оставило бы след в наших наблюдениях за небом. Нам еще предстоит найти такие шрамы, но новое исследование дает нам то, на что стоит обратить внимание. Исследователи, стоящие за исследованием, говорят, что окружающий газ, состоящий из обычного вещества, поглотил бы эту дополнительную энергию взрыва и выделил бы часть ее обратно. Поскольку большая часть этого газа состоит из водорода, мы знаем, что этот свет должен быть в радиочастотном диапазоне. Интересно, что будущие наблюдения с помощью радиотелескопа Square Kilometer Array, возможно, смогут зафиксировать это. Таким образом, хотя фейерверки от взрывов темных звезд могут быть скрыты от нашего взгляда, мы могли бы обнаружить их последствия в видимой материи. Что в этом замечательного, так это то, что такое открытие помогло бы нам выяснить, из чего на самом деле состоит темная материя — в данном случае, скорее всего, аксионы.
Что, если наблюдения не обнаружат предсказанный сигнал? Это, вероятно, не исключит эту теорию полностью, поскольку другие "аксионоподобные" частицы все еще возможны. Однако неудача в обнаружении может указывать на то, что массы этих частиц сильно различаются или что они не так сильно взаимодействуют с излучением, как мы думали. На самом деле, такое случалось и раньше. Первоначально считалось, что аксионы будут соединяться настолько сильно, что смогут охлаждать газ внутри звезд. Но поскольку модели охлаждения звезд показали, что звезды прекрасно обходятся без этого механизма, сила аксионного взаимодействия должна была быть ниже, чем предполагалось первоначально. Конечно, нет никакой гарантии, что темная материя состоит из аксионов. Слабаки по-прежнему являются соперниками в этой гонке, и есть и другие. Кстати, некоторые исследования предполагают, что темная материя, подобная WIMP, также может образовывать "темные звезды". В этом случае звезды все равно были бы обычными (состоящими из водорода и гелия), а темная материя просто питала бы их.
Согласно прогнозам, эти темные звезды, работающие на слабом заряде, являются сверхмассивными и живут в ранней Вселенной лишь короткое время. Но их можно было наблюдать с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба. Недавнее исследование заявило о трех таких открытиях, хотя жюри до сих пор не определилось, так ли это на самом деле. Тем не менее, ажиотаж вокруг аксионов растет, и существует множество планов по их обнаружению. Например, ожидается, что аксионы преобразуются в фотоны, когда они проходят через магнитное поле, поэтому наблюдения фотонов с определенной энергией нацелены на звезды с магнитными полями, такие как нейтронные звезды или даже солнце. На теоретическом фронте предпринимаются попытки уточнить предсказания того, как выглядела бы Вселенная с различными типами темной материи. Например, аксионы можно отличить от вимпов по тому, как они преломляют свет посредством гравитационного линзирования. Благодаря лучшим наблюдениям и теории мы надеемся, что тайна темной материи вскоре будет раскрыта.
