Наш Всесвіт надто розігрівся: у цьому можуть бути винні темні фотони – носії нової сили природи

Ось вона: екзотична форма темної матерії, відома як темні фотони, може нагрівати Всесвіт. Ці дивні частинки – наче носії нової, п’ятої сили природи, якої звичайна матерія не відчуває. Але час від часу ці темні фотони можуть змінювати свою ідентичність, перетворюватися на звичайні фотони, і у такий спосіб ставати джерелом додаткового тепла.

Також цікаво Шот від Короля рок-н-ролу: крутий коктейль, на який бартендерів надихнув Елвіс Преслі

Як можна виявити темні фотони

Коли ми спостерігаємо за міжгалактичним газом на тлі світла від віддаленого яскравого об’єкта, як-от квазар, то можемо бачити низку прогалин у спектрі. І ось чому: це світло має пройти крізь мільярди світлових років газу, щоб досягти нас.

• Іноді світло проходить крізь щільний згусток нейтрального водню (який складається з 1 протона й 1 нейтрона), що пронизує газові хмари по всьому Всесвіту.
• Більша частина світла не зазнає змін, але певну специфічну довжину хвилі газові хмари поглинуть. Ця довжина відповідає різниці енергій, необхідної для перенесення електрона з 1 на 2 рівень енергії всередині атомів водню.

Отже, коли астрономи дивляться на світло, що виходить від квазара, то бачать і розриви на довжині хвилі цього специфічного енергетичного переходу, відомого як лінія Лаймана-альфа. У підсумку на спектрі помітний "ліс" – серія ліній і прогалин.

У Всесвіті стає спекотно

"Ліс" Лаймана-альфа можна використовувати для вимірювання температури кожної газової хмари. Молекули нейтрального водню рухаються, тож щілина в спектрі збільшується через кінетичну енергію цих молекул. Чим гарячіший газ, тим більшу енергію мають молекули та тим ширша прогалина у спектрі.

Навіть на Землі ми можемо виміряти температуру газових хмар за мільярди світових років / Фото NASA

У статті в Physical Review Letters команда астрофізиків зазначила, що хмари газу, які розсіюються між галактиками, занадто гарячі. Отже, вочевидь, щось нагріває ці хмари, і це "щось" не враховано в сучасному астрофізичному моделюванні. Одним із можливих пояснень цієї невідповідності є темні фотони у нашому Всесвіті – так стверджують автори дослідження.

Звернімо увагу: ці фотони – гіпотетична форма темної матерії, таємничої невидимої речовини, яка становить приблизно 80% усієї маси у Всесвіті, і яка, здається, не взаємодіє зі світлом. Астрономи наразі не розуміють темну матерію, тож і трактують доволі вільно. У моделі з темними фотонами темна матерія складалася не з невидимих частинок (наприклад, фантомної версії електронів), а з нового типу носія сили, які час від часу таки взаємодіють з іншими частинками.

Тепла темрява

Знайомий нам фотон є носієм сили електромагнетизму – саме він створює електрику, магнетизм і світло. Темні ж фотони були б носієм нової сили природи, яка не працює у звичайних масштабах і сценаріях (як-от у лабораторіях або в Сонячній системі, інакше ми б їх вже спостерігали).

• На думку авторів дослідження, темні фотони мають крихітну масу і можуть пояснити темну матерію. А також можуть взаємодіяти між собою та з іншими потенційними частинками темної матерії.
• У моделях астрофізиків темні фотони здатні на хитрість – іноді перетворюватися на звичайний фотон. І при цьому робити те, що завжди роблять фотони – нагрівати речі.

Дослідники виконали перше в історії моделювання еволюції Всесвіту з урахуванням впливу цих таємних темних фотонів, які змінюють ідентичність. І таки виявили, що певна комбінація маси темного фотона та ймовірності перетворення у звичайний фотон дійсно може пояснити розбіжність у нагріванні Всесвіту.

Важливо: все це, звісно, теорія, а нагрівання Всесвіту може мати й інші пояснення. Але водночас це й інтригуюча підказка, а результати досліджень можна використані як трамплін для продовження вивчення життєздатності цієї екзотичної ідеї.