Наблюдение признаков аннигиляции тёмной материи

https://profmattstrassler.com/articles-and-posts/relativity-space-astronomy-and-cosmology/dark-matter/dark-matter-annihilation/
  • Перевод
Тёмную материю, составляющую большую часть материи во Вселенной, увидеть нелегко. Она тёмная. И всё таки есть один способ, благодаря которому тёмная материя (ТМ) может, в каком-то смысле, сиять.

И каков же он? Если ТМ состоит из частиц, приходящихся самим себе античастицами (как это происходит у фотонов, Z-частиц и частиц Хиггса, и, вероятно, нейтрино), то возможно, что две частицы ТМ встретят друг друга и аннигилируют (точно так же, как могут аннигилировать электрон с позитроном, или два фотона), превратившись во что-то другое, что мы, вероятно, сможем засечь — например, в два фотона, или в любую другую частицу и её античастицу. Окажемся ли мы способны засечь этот эффект — зависит от множества неизвестных нам вещей. Но нет ничего плохого в том, чтобы искать это явление, и есть очень хорошая причина попытаться.

Как же мы надеемся его обнаружить?


Рис. 1

Сперва нам нужно посмотреть в центр нашей галактики, Млечный путь. Точно так же, как ДТП скорее всего получится увидеть в плотном трафике в час пик, столкновения частиц тёмной материи вероятнее всего можно будет наблюдать там, где её плотность наибольшая. А наибольшая она в центрах галактик. Причина в том, что (см. рис. 1) вокруг галактик и звёзд формируются большие куски тёмной материи — на самом деле, большая часть массы Млечного пути составляет тёмная материя, распределённая по грубой сфере, хотя её точная структура неизвестна и, вероятно, довольно сложна. Звёзды и большие атомные облака, из которых они формируются, составляют вращающийся диск со спиральными рукавами, расположенный внутри этой большой сферы и обладающий шаром из звёзд (балдж) в центре. Звёзды в диске и балдже, вероятно, скапливаются в местах наибольшей концентрации ТМ. Так что столкновения и последующая аннигиляция, приводящая к появлению частиц, которые мы потенциально способны засечь, может происходить вблизи центра галактики, поэтому нам нужно разработать научные инструменты, способные смотреть в этом направлении и выискивать намёки на то, что такие аннигиляции происходят.

К несчастью, намёки получить не так просто, поскольку существует не так уж много типов известных частиц, которые, будучи созданными в аннигиляции тёмной материи недалеко от центра Галактики, способны дойти до Земли. Единственные достаточно долго живущие частицы, способные достичь Земли, это электроны, антиэлектроны (позитроны), протоны, антипротоны, несколько других стабильных атомных ядер (гелий), нейтрино, антинейтрино и фотоны. Но нейтрино (и антинейтрино) чрезвычайно сложно обнаружить, а почти все остальные частицы обладают электрическим зарядом, поэтому их пути искривляются и закручиваются в магнитном поле Галактики, из-за чего они так и не достигают Земли. Также это гарантирует, что если бы они дошли до нас, мы не могли бы сказать, пришли ли они из центра Галактики или нет. Остаются фотоны, как единственные частицы, которые, во-первых, могут перемещаться прямо из центра Галактики к Земле, и во-вторых, легко обнаруживаются.


Рис. 2

Хороший намёк на аннигиляцию ТМ могут дать необычные высокоэнергетические фотоны, идущие из центра Галактики, и более практически ниоткуда (рис. 2).

Однако у этой стратегии есть множество препятствий. В центре Галактики собрано множество необычных астрономических объектов, также испускающих высокоэнергетические фотоны. Как отличить фотоны, исходящие от аннигиляции ТМ, и фотоны, идущие от неизвестного класса звёздных процессов, который может быть больше распространён в центре Галактики, чем где-либо ещё?

Ответ: непросто, за исключением одного особого случая. Если частицы ТМ (обладающие некоей определённой массой, допустим, M), могут иногда аннигилировать, превращаясь ровно в два фотона, тогда у обоих этих фотонов энергия движения будет равна (с очень хорошей точностью) энергии массы Mc2 частиц тёмной материи. Причина простая — она описана в статье про аннигиляцию частиц и античастиц и указана на рис. 3.


Рис. 3

Если частица и античастица практически покоятся, тогда энергия каждой из них практически полностью содержится в массе и почти точно равна Mc2. Импульсы обеих почти нулевые. Энергия и импульс сохраняются, поэтому общая энергия примерно равна 2 Mc2 до и после аннигиляции. Когда частица и античастица превращаются в другую частицу и античастицу, энергии их обеих будут равны Mc2. Обычно это будет смесь энергии массё+ы и энергии движения. В случае, когда конечные частица и античастица оказываются фотонами, не имеющими массы и, соответственно, энергии массы, вся их энергия будет энергией движения.

Нам неизвестна масса M частицы ТМ, и нам неизвестна энергия итоговых фотонов. Но поскольку как у всех электронов масса одинакова, и у всех протонов масса одинаково, так и у всех частиц ТМ масса одинакова, каждая аннигиляция ТМ приведёт к появлению двух фотонов с энергией, почти равной Mc2. А это значит, что если мы при помощи специального телескопа проведём измерения высокоэнергетических фотонов, исходящих из района, близкого к центру Галактики, и построим график количества фотонов от их энергии, следует ожидать, что многие астрофизические процессы создадут множество фотонов с различными энергиями, которые сформируют плавный фон, но процессы, происходящие с ТМ, добавят кучку фотонов одинаковой энергии — всплеск, высящийся над фоном (см. рис. 4). Практически невозможно представить себе астрономический объект, какую-нибудь странную звезду, который был бы достаточно прост для создания такого всплеска — поэтому сигнал в виде узкого всплеска будет явным свидетельством процесса аннигиляции пар частиц ТМ.


Рис. 4

И это очень мощный способ поиска ТМ. Он не будет работать, Если частицы ТМ не будут античастицами для самих себя и не смогут аннигилировать. Он не сработает, если частицы ТМ не очень часто производят фотоны при аннигиляции. Но он может сработать. И уже есть попытки, самая интересная из которых — использование космического гамма-телескопа Fermi, эксперимента со спутником, работающим в космосе и измеряющим фотоны, идущие со всех концов неба, включая и те, что идут из центра Галактики.
Поделиться публикацией
Никаких подозрительных скриптов, только релевантные баннеры. Не релевантные? Пиши на: adv@tmtm.ru с темой «Полундра»

Зачем оно вам?
Реклама
Комментарии 20
  • +2
    А ещё есть парадокс Грайзена — Зацепина — Кузьмина…
    • 0

      Там настолько малая статистика, что какие-то пики там искать не приходится.

    • +1
      Если б на спектре космолучей были всякие пики и провалы, их бы давно заметили.
      • 0
        И да и нет.
        Я так понимаю, что до недавнего времени анализировался спектр излучения определённых наблюдаемых объектов.
        Здесь же предлагается наблюдать спектр фоновых областей, а для такого наблюдения необходимы инструменты беспрецендентной чувствительности.
        • 0
          Как раз изначально анализировали общий фон. Вот тут внизу на рис.5 как раз он. Там хорошо видны т.н. «колено» и «лодыжка» в спектре nuclphys.sinp.msu.ru/spargalka/039.htm
          • 0
            В этом то и проблема — что на прямую ничего не детектировали — и астрономии в понятии наблюдения источника — такой пока практически нет. Все наблюдения косвенные
            Если бы можно было телескоп который сможет увидеть небо в этом диапазоне и посмотреть что от куда приходит -то было бы здорово
          • 0
            Кроме случая, когда в нужную часть спектра еще никто не заглядывал.
            • 0
              Спектры уже сняты от кэв до ГЗК
          • 0

            Лет 15 уже этот подход не только обсуждается, но и инструменты всякие запускаются (PAMELA, Fermi-LAT, AMS — только те проекты, где какие-то результаты по этой теме есть). Отклонения от графика есть, но недостаточно значимые и проверенные, что бы трубить об открытии. Пока темная материя дается с трудом.

            • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
              • –4

                Ничего не найдут. Пространство-время черырехмерно. Гравитация — искривление этого четырехмерного пространства. Что аналогично пятому измерению.
                Далее. Физика не запрещает, по сути, существовать четырем комбинациям пространства-времени с переставленными местами измерениями пространства и времени. (Перестановок больше, но важны только перестановки временного измерения.) Получаются ортогональные друг другу миры. Где время может быть перпендикулярным или обратным нашему. Такое сложно понять, но это физика.
                Так вот эти миры могут зацепляться (взаимодействовать) только через гравитацию. Они существуют как бы параллельно друг другу, и пространствами не пересекаются. Возможно, каждый мир на своей бране. Поэтому никаких частиц оттуда мы не получим и не увидим.
                А концентрация как бы какой-то размазанной гравитационной массы совмещенной с, например, нашей галактикой, может оказаться такой же галактикой в другом мире (возможно, сразу во всех трех из дополнительных). Но даже если это целые галактики, то мы не сможем точно локализовать эту массу — она будет протяженной в пространстве, что мы и видим на наблюдаемых нами в космосе проявлениях ТМ.

                • 0
                  Даже я вижу, что это чушь.
                  С таким же успехом можно сказать, что рядом существуют эльфы и кентавры, но видеть их невозможно.
                  Во-вторых, ортогональные гравитационные возмущения (предположим в пьяном угаре, что это правда) очень просто засечь. Сила гравитации от солнца в четыре раза больше чем должна быть (учитывая, что солнце еще и во времени перемещается).
                  • 0
                    Ты видишь суслика, нет. И я нет. А он есть!
                  • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
                    • 0
                      их гравитационная масса должна тоже расти

                      Нам нужна не гравитационная масса, а инвариантная. А связать ОТО (науку, предполагающую ТМ) с квантовой механикой (или КТП) пока тупо не выходит на уровне фальсифицируемой теории.
                      В общей теории относительности закон сохранения энергии, строго говоря, выполняется только локально. Связано это с тем фактом, что этот закон является следствием однородности времени, в то время как в общей теории относительности время неоднородно и испытывает изменения в зависимости от наличия тел и полей в пространстве-времени. Следует отметить, что при должным образом определённом псевдотензоре энергии-импульса гравитационного поля можно добиться сохранения полной энергии гравитационно взаимодействующих тел и полей, включая гравитационное… Например, энергия гравитационного поля принципиально не может быть определена как тензор относительно общих преобразований координат.
                      • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
                      • 0

                        Согласно ОТО, замедление времени (снижение частоты/энергии фотонов) в гравполе есть следствие существования гравполя, а не его причина. Гравполе создаётся материей.
                        Согласно КТП, наличие виртуальных частиц в вакууме говорит об энергетической плотности этой среды и о её давлении на объекты (проявляется в эффекте Казимира). И поскольку существует гравитационное линзирование, то оно указывает на локальное снижение энергетической плотности вакуума вокруг массивных тел, создаваемое материей этих тел. В этом и кроется причина гравитации.


                        Свет от галактик смещается в холодную часть спектра вследствие космологического расширения пространства, ведь относительно нашей системы координат пространство расширяется во все стороны и уносит от нас скопления галактик — с тем большей скоростью, чем изначально дальше от нас источник света. Но почему при этом должны терять энергию сами фотоны? Просто, например, излучающий фотоны атом водорода удаляется от нас (неважно, что его движет), и он успевает проходить большее расстояние между моментами излучения. Поэтому длина световой волны растёт. Это объясняется эффектом Доплера. Ведь энергетическая плотность расширяющегося пространства, в котором летит фотон, меньше не становится (действует космологическая постоянная), и фотону "энергетически не выгодно" снижать свою частоту/энергию в неизменной по плотности среде.

                        • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
                          • 0
                            «точке «0» где нет никакого гравитационного потенциала(удаленное на бесконечность)» — явно за горизонтом событий, соответственно никто и никогда не сможет измерить частоту фотона запущенного из точки«О»
                            • 0
                              Так по идее вопрос в том, насколько уменьшается частота при путешествии от расстояния «на 1 м выше горизонта» до расстояния в миллиард гравитационных радиусов.

                    Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.