Является ли темная материя сверхтекучей?
Предпочитаемая ранее модель темной материи имеет слабость. Новый подход сглаживает их и может значительно расширить наше мировоззрение.
Это одна из величайших диковинок в астрофизике: темная материя. Астроном Фриц Цвикки впервые употребил этот термин почти 80 лет назад. Он понял, что гравитационная сила из неизвестного источника необходима, чтобы отдельные галактики не улетали от гигантских галактических скоплений. Позже Вера Рубин и Кент Форд использовали темную материю, чтобы объяснить, почему части отдельных галактик вообще слипаются.
Даже если мы сегодня говорим о темной материи в обоих случаях, далеко не ясно, что это одно и то же вещество в каждом случае. Самая простая и популярная модель предполагает, что темная материя состоит из слабо взаимодействующих частиц, которые движутся очень медленно. С помощью этой «холодной» темной материи можно точно описать крупномасштабные структуры, такие как скопления галактик. Но модель гораздо менее точна в отношении кривых вращения галактик; Похоже, темная материя ведет себя по-разному в этом масштабе.
Недавняя попытка разгадать эту загадку была предпринята Джастином Хури из Пенсильванского университета и его бывшим сотрудником Лашей Бережиани, ныне работающим в Принстонском университете. Два физика предполагают, что темная материя может принимать разные состояния в разных масштабах. В холодной и плотной среде галактического гало с галактикой, заключенной в его центре, звездный остров становится сверхтекучим - экзотическим квантовым состоянием с бесконечно малой вязкостью.
Если бы это было так, темная материя породила бы новую силу, и это объяснило бы наблюдения, которые не соответствуют предыдущей модели астрофизиков. Однако в еще большем масштабе, в пределах целых скоплений галактик, не выполняются особые условия, необходимые для перехода в сверхтекучее состояние. Там темная материя ведет себя точно так же, как и обычная холодная темная материя.
«Это отличная идея», - говорит Тим Тейт, физик элементарных частиц из Калифорнийского университета в Ирвине. «Итак, у вас есть два разных типа темной материи, но они описывают одно и то же вещество». В то время как у других физиков были похожие идеи, Хури и Бережиани приближаются к тому, чтобы делать поддающиеся проверке предсказания. Это позволило бы астрономам исследовать, действительно ли наша галактика плавает в сверхтекучей жидкости.
Невозможные сверхтекучести
Сверхжидкости совсем не распространены на Земле. Однако с 1938 года физики смогли искусственно производить такие вещества в своих лабораториях. Для этого они достаточно охлаждают частицы, чтобы выявить их квантовую природу. Волны их материи распространяются и накладываются друг на друга. Это координирует их поведение, и они образуют своего рода суператом. Частицы становятся когерентными, как фотоны в лазерном луче, все они имеют одинаковую энергию и вибрируют вместе. Эта процедура теперь является рутинной в лаборатории, и даже студенты производят такие конденсаты Бозе-Эйнштейна. И многие из этих БЭК являются сверхтекучими веществами.
В обычном повседневном мире, однако, слишком тепло для возникновения необходимых квантовых эффектов. «Наверное, поэтому десять лет назад над этой теорией насмехались и говорили: «Это невозможно!» - объясняет Тейт. Но тем временем все больше и больше физиков сближаются с идеей, что сверхтекучие вещества могут естественным образом образовываться в экстремальных условиях космоса - например, внутри нейтронных звезд. И некоторые исследователи предполагают, что само пространство-время может быть сверхтекучим. Так почему же темная материя не может превращаться в сверхтекучую?
Превращение набора частиц в сверхтекучее состояние требует двух вещей: плотность частиц должна быть очень высокой, а температура чрезвычайно низкой. В лаборатории этого можно добиться с помощью электромагнитной ловушки, в которой физики удерживают частицы и стреляют в них лазерными лучами, чтобы уменьшить их кинетическую энергию. Это позволяет достичь температуры чуть выше абсолютного нуля.
Достичь низкой температуры в космосе легко - ведь в космосе холодно. Гравитационная сила галактик должна взять на себя роль электромагнитной ловушки и достаточно уплотнить темную материю. Однако за пределами галактик гравитационное притяжение слабее и плотность темной материи недостаточна для перехода в сверхтекучее состояние. Там темная материя ведет себя так, как предсказывает обычная модель, и, таким образом, также объясняет то, что астрономы наблюдают в больших масштабах.
Особенность нового подхода
Как сверхтекучее состояние может изменить поведение темной материи? Этими вопросами в последние годы уже занимался ряд исследователей. Однако подход Хури уникален, потому что он впервые показывает, как сверхтекучесть может привести к дополнительной силе.
Чтобы понять это, полезно вспомнить несколько основных законов физики: Возмущение поля всегда приводит к распространению волны. Например, если вы перемещаете электроны взад и вперед в антенне, вы возмущаете электрическое поле и тем самым генерируете радиоволны. Когда две сталкивающиеся черные дыры разрушают гравитационное поле, возникают гравитационные волны. А возмущение в сверхтекучей жидкости порождает так называемые фононы - в определенной степени это звуковые волны в сверхтекучей жидкости.
Волны создают силу, подобную электростатической силе между заряженными частицами. «Это умно, потому что теперь у нас есть сила в дополнение к гравитации, которая все еще исходит от темной материи», - объясняет Хури. «Итак, свойство темной материи приводит к этой силе». И этого может быть достаточно, чтобы объяснить загадочное до сих пор поведение темной материи в галактических гало.
Другой вид темной материи
Ученые давно ищут темную материю. До сих пор они сосредоточили свои усилия в основном на слабо взаимодействующих массивных частицах, или сокращенно вимпах. Вимпы популярны, потому что они могут объяснить большинство астрономических наблюдений, а также потому, что они естественным образом возникают из гипотетических расширений Стандартной модели физики элементарных частиц.
Но вимпов еще никто не видел. К большому разочарованию физиков, гипотетические расширения Стандартной модели также еще не были продемонстрированы в экспериментах. С каждой неудачной попыткой перспектива становится все более мрачной, и именно поэтому физики ищут других кандидатов в темную материю. «Когда нам следует признать, что мы на ложном пути?» - спрашивает Стейси Макгоу, астроном из Университета Кейс Вестерн Резерв.
Чтобы идея Хури и Бережиани сработала, темная материя должна состоять из частиц, совсем не похожих на вимпы. По сравнению с другими элементарными частицами вимпы были бы очень массивными - их масса примерно в 100 раз превышала бы массу протонов. Однако для сценария Хури они должны были бы быть менее массивными в миллиард раз. Из этого немедленно следует, что для объяснения влияния темной материи во Вселенной должно быть в миллиард раз больше частиц, проносящихся по Вселенной. И при этом частицы могли достичь плотности, необходимой для перехода в сверхтекучее состояние. Кроме того, обычные вимпы не взаимодействуют друг с другом. Напротив, частицы сверхтекучей темной материи должны были бы сильно взаимодействовать друг с другом.
Лучшим кандидатом на роль такой частицы является аксион, гипотетическая частица с массой в 10 000 триллионов триллионов раз меньше, чем у электрона. И, как объясняет Чанда Прескод-Вайнштейн, физик-теоретик из Вашингтонского университета, теоретически аксионы могут конденсироваться в нечто вроде конденсата Бозе-Эйнштейна.
Но стандартный аксион не совсем соответствует требованиям модели Хури и Бережиани: модель требует сильного отталкивания между частицами. С другой стороны, типичные аксионы демонстрируют слабое притягательное взаимодействие. При этом «я думаю, что все предполагают, что частицы темной материи взаимодействуют друг с другом на каком-то уровне», - заявляет Тейт. Так что нужно просто выяснить, является ли это взаимодействие сильным или слабым.
Поиск космической сверхтекучести
Далее, Хури и Бережиани должны найти способ проверить свою модель - красноречивое явление, которое может отличить сверхтекучую темную материю от обычной темной материи. Одной из возможностей могут быть вихри. В лаборатории во вращающихся сверхтекучих средах образуются вихри, которые продолжают вращаться без потери энергии. Ореолы сверхтекучей темной материи будут вращаться достаточно быстро, чтобы создать множество таких вихрей. Если эти вихри достаточно массивны, их можно будет обнаружить напрямую.
К сожалению, это, вероятно, не так. По словам исследователя, компьютерное моделирование Хури показывает, что водовороты в сверхтекучей темной материи «довольно слабые». Поэтому маловероятно, что их существование может быть однозначно доказано. Возможно, полагает Хури, гравитационное линзирование можно использовать для обнаружения рассеяния излучения от удаленных источников на вихрях подобно тому, как кристаллы рассеивают рентгеновские лучи.
Но астрономы также могут искать косвенные доказательства того, что темная материя является сверхтекучей. Для этого им пришлось бы изучать слияние галактик. Частота, с которой сталкиваются галактики, зависит от динамического трения. Представьте себе массивное тело, мчащееся сквозь облако более мелких частиц. Массивное тело увлекало бы за собой множество мелких частиц. Однако, поскольку полный импульс системы является сохраняющейся величиной, массивное тело должно взамен немного замедлиться.
Это именно то, что происходит, когда две галактики начинают сливаться. Когда они достаточно близко, их ореолы темной материи проникают друг в друга. Возникающая в результате перегруппировка независимо движущихся частиц темной материи приводит к динамическому трению и еще больше сближает ореолы. Таким образом, эффект поддерживает слияние и увеличивает количество слияний галактик в космосе.
Но когда ореолы находятся в сверхтекучем состоянии, частицы темной материи движутся синхронно. Не было бы динамических трений, слияние было бы сложнее. Это должно привести к характерной картине, интерференционной картине в распределении вещества в галактиках.
Решение в стиле Тихо Браге
В целом Макго положительно относится к идее сверхтекучей темной материи. Но он также признает, что у него есть некоторые сомнения в том, что физики, пытающиеся объединить лучшее из двух миров, не создают «решение в стиле Тихо Браге». В 16 веке датский астроном изобрел гибридную космологию, в которой Земля оставалась в центре Вселенной, а все остальные планеты вращались вокруг Солнца. При этом он пытался устранить разницу между старым птолемеевским и новым коперниканским мировоззрением. «Меня немного беспокоит, что наши попытки идут в одном и том же направлении, поэтому мы упускаем что-то очень важное», - говорит Макгоу. «Тем не менее, я считаю, что мы должны исследовать эти идеи».
Тейт восхищается моделью сверхтекучести с интеллектуальной точки зрения, но он хотел бы увидеть дальнейшее развитие теории на микроскопическом уровне. До такой степени, «где мы действительно можем все рассчитать и показать, почему все работает так, как должно. Пока нам еще нужно «вставить несколько чудес» в нескольких местах, чтобы настроить все так, чтобы все подошло: «Возможно, это вполне мыслимые чудеса, но я еще не совсем в этом уверен».
Одна из возможных проблем концепции Хури и Бережиани заключается в том, что она требует очень особого типа частиц, которые образуют сверхтекучую жидкость при правильных условиях. Это связано с тем, что дополнительная сила, создаваемая в модели, сильно зависит от точных свойств сверхтекучей жидкости. Сейчас исследователи ищут существующую сверхтекучесть, то есть ту, которую можно получить в лаборатории, с желаемыми свойствами. «Если мы найдем такую систему в природе, это будет удивительно», - признает Хури, поскольку она предоставит полезный аналог для дальнейших исследований. «В принципе, мы можем смоделировать свойства галактик, используя холодные атомы в лаборатории, чтобы имитировать поведение сверхтекучей темной материи."
Несмотря на то, что исследователи работали со сверхтекучими жидкостями в течение десятилетий, это новая область для физиков элементарных частиц. Вы только начинаете понимать полезность некоторых из этих идей о конденсированном веществе. Объединение инструментов из этой и других областей и применение их к физике гравитации могло бы разрешить давний спор о темной материи - и кто знает, к каким еще результатам могут привести прорывы?
«Нужны ли нам модели сверхтекучести? На самом деле физика - это не то, что нам нужно», - поясняет Прескод-Вайнштейн. «Это о том, что делает Вселенная. Может быть, она естественным образом производит конденсат Бозе-Эйнштейна, как естественные мазеры в туманности Ориона. Нужны ли мне лазеры в космосе? Нет, но они довольно крутые!»
