Теория темного диска разжигает споры

В 1932 году голландский астроном Ян Оорт подсчитал звезды в Млечном Пути и обнаружил, что их не хватает. Оценив, как звезды покачиваются вверх-вниз, подобно лошадкам на карусели, двигаясь через плоскость галактики, Оорт подсчитал, что материи, которая оказывает на них гравитационное влияние, должно быть в два раза больше, чем видно. Он также предположил существование невидимой «темной материи» и допустил, что она должна быть сконцентрирована в диске, чтобы объяснить движение звезд. В нашу эпоху повальных исследований темной материи, спорную идею о том, что темная материя сконцентрирована в тонком диске, спасли от научного забвения.

Несмотря на постулаты Оорта, открытие темной материи — невидимого и неопределенного вещества, на которое приходится пять шестых массы Вселенной, — принадлежит швейцарско-американскому астроному Фрицу Цвикки, который вывел ее существование из относительных движений галактик в 1933 году. Оорт посчитал свою находку ложной. К 2000 году обновленные запасы «недостающей» массы в Млечном Пути, вроде тех, которые предположил Оорт, были обнаружены в слабых звездах, газе и пыли, и в темном диске не стало необходимости. Восемьдесят лет намеков указывали, что темная материя, чем бы она ни являлась, образует сферические облака — гало — вокруг галактик.

Во всяком случае так решили охотники за темной материей. И хоть идея темного диска оказалась в опале, она никогда не уходила насовсем. Не так давно Лиза Рэндалл, известный профессор физики Гарвардского университета, спасла идею темного диска от научного забвения и даже присудила ей активную роль в жизни галактик.

Предлагая свою модель в 2013 году, Рэндалл и ее коллеги утверждали, что темный диск мог бы объяснить гамма-лучи, идущие от центра галактики, распределение карликовых галактик вокруг галактики Андромеды и Млечного Пути, и даже периодические падения комет и массовые вымирания на Земле.

Но астрофизики, которые ведут инвентаризацию Млечного Пути, запротестовали, утверждая, что общая масса галактики и покачивание ее звезд слишком хорошо совпадают, чтобы оставалось место для темного диска. «Она намного более ограничена, чем считает Лиза Рэндалл», — говорит Джо Бови, астрофизик из Университета Торонто.

Теперь Рэндалл, которая разработала несколько важных идей на крупные темы фундаментальной физики, наносит ответный удар. В документе, размещенном на прошлой неделе в The Astrophysical Journal, Рэндалл и ее студент Эрик Крамер, нашли место для диска в анализе Млечного Пути: «Существует важная деталь, которую проглядели, — пишут они. — Диск может освободить место для самого себя».

Если через «срединную плоскость» галактики проходит темный диск, предполагают Рэндалл и Крамер, тогда он будет гравитационно стягивать вещество внутрь, что приведет к повышенной плотности звезд, газа и пыли в срединной плоскости. Ученые обычно оценивают общую видимую массу Млечного Пути, экстраполируя на основе плотности средней плоскости; если же будет стягивающий эффект, эта экстраполяция приведет к преувеличению видимой массы и ощущению, что масса соответствует движению звезд. «По этой причине множество предыдущих исследований не видели свидетельства существования темного диска», говорит Крамер. Вместе с Рэндалл они выяснили, что тонкий темный диск более чем возможен, и в некотором смысле его присутствие предпочтительнее, чем отсутствие.

«Работа Лизы открывает это дело заново», говорит Крис Флинн из Технологического университета Суинберна в Мельбурне, Австралия, который вместе с Йоханом Холмбергом провел серию «инвентаризаций» Млечного Пути, которые, казалось, начисто смели все возможности для темного диска.

Бови не согласен. Даже принимая во внимание стягивающий эффект, он оценивает, что не более 2% общего количества темной материи может лежать в темном диске, в то время как остальная должна образовать гало. «Я думаю, большинство людей хочет выяснить, где 98% темной материи, а не 2%», говорит он.

Эти дебаты — и судьба темного диска — вероятно, очень скоро разрешатся. Спутник Gaia Европейского космического агентства в настоящее время обследует положения и скорости миллиарда звезд, и окончательный инвентарь Млечного Пути может быть составлен уже к концу следующего лета.

Открытие темного диска любого размера было бы чрезвычайно показательным. Если он существует, темная материя будет намного сложнее, чем считали ученые. Материя собирается в форму диска только будучи способной излучать энергию, и лучший способ излучить достаточно энергии — это если она сформирует атомы. Существование темных атомов означало бы, что темные протоны и темные электроны, которые заряжены подобно видимым протонам и электронам, взаимодействуют между собой с помощью темной силы, переносимой темными фотонами. Даже если 98% темной материи инертны и образуют гало, существование даже тонкого темного диска означало бы «темный сектор» неизвестных частиц, распространенных в нашей Вселенной.

«Обычная материя довольно сложна; есть важные вещи, которые играют роль в томах, а есть которые не играют», говорит Джеймс Буллок, астрофизик Калифорнийского университета в Ирвине. «Нетрудно представить, что другие пять шестых материи во Вселенной довольно сложные, и что есть определенный темный сегмент, который связывает атомы».

Представление о том, что темная материя может быть сложной, появилось не так давно, на фоне астрофизических аномалий, которые не вяжутся с давно сложившейся картиной темной материи как пассивных, медлительных «слабо взаимодействующих массивных частиц». Эти аномалии, а также неудачные попытки экспериментально обнаружить вимпы по всему миру слегка ослабили парадигму вимпов и возвестили новую эру, свободную для всех теорией, поэтому любая теория может оказаться верной.

Эта область начала появляться где-то в 2008 году, когда эксперимент PAMELA обнаружил избыток позитронов (по сравнению с электронами), приходящий из космоса — асимметрию, которая подогрела интерес к «асимметричной темной материи», ныне популярной модели, предложенной Катрин Цурек и ее коллегами. В то же время появились новые идеи касательно вимпов. «Были строители моделей вроде меня, которые поняли, что темная материя была недостаточно проработана в этом направлении», говорит Цурек, работающая сейчас в Национальной лаборатории Лоренса Беркли в Калифорнии. «Поэтому мы погрузились в него».

Другим триггером была плотность карликовых галактик. Когда ученые пытаются имитировать их формирование, карликовые галактики обычно оказываются слишком плотными в своих центрах, пока ученые не поняли, что частицы темной материи могут взаимодействовать между собой с помощью темных сил. Но излишняя интерактивность, однако, рушит модели образований структур в ранней Вселенной.

«Мы пытаемся выяснить, что можно добавить», говорит Буллок, который тоже занимается строительством этих моделей. Большинство модельеров добавляют слабые взаимодействия, которые не оказывают эффекта на форму гало темной материи. «Но что примечательно, есть класс темной материи, который позволяет оформиться дискам». В таком случае лишь крошечная доля частиц темной материи будет взаимодействовать, но останется достаточной сильной, чтобы рассеивать энергию — и затем формировать диски.

Рэндалл и ее коллеги Джиджи Фан, Андрей Кац и Мэтью Рис в 2013 году пошли по дорожке, проторенной Оортом: попытались объяснить очевидную аномалию Млечного Пути. Так называемая «линия Ферми» представляет собой излишек гамма-лучей определенной частоты, приходящих из галактического центра. «Обычная темная материя не могла бы аннигилировать достаточно, чтобы произвести линию Ферми», говорит Рэндалл, «поэтому мы подумали: что, если она намного плотнее?». И так темный диск получил вторую жизнь. Линия Ферми исчезла, когда появилось больше данных, но идея диска жила. В 2014 году Рэндалл и Рис предположили, что диск мог бы оказаться ответственным за интервалы в 30-35 миллионов лет между нарастающей активностью комет и метеоров, которую некоторые ученые связывают с периодическими массовыми вымираниями. Каждый раз, когда Солнечная система покачивается вверх или вниз на галактической карусели, сказали они, гравитационный эффект диска может дестабилизировать камни и кометы в облаке Оорта — свалке на задворках нашей Солнечной системы, названной в честь Яна Оорта. Эти объекты отправляются крутиться во внутренней Солнечной системе, а некоторые попадают в Землю.

Но Рэндалл и ее команда сделали лишь беглый — и неправильный — анализ того, как много места в общей массе Млечного Пути остается для темного диска, опираясь на движения звезд. В среде астрофизиков их заявления сочли возмутительными.

Рэндалл, известная своим упорством среди коллег, привлекла к делу Крамера, чтобы тот ответил на критику и сгладил все морщины в анализе, прежде чем станут доступны данные Gaia. Новый анализ показал, что в случае существования темный диск не может быть столь же плотным, как изначально полагала ее команда. Но для тонкого темного диска место все же нашлось, в связи с его стягивающим эффектом и дополнительной неопределенностью, вызванной чистым дрейфом звезд Млечного Пути.

Крис Макки из Калифорнийского университета в Беркли выявил новую проблему, о которой написал в The Astrophysical Journal. Макки признал, что тонкий темный диск все еще может втиснуться в запас массы Млечного Пути. Но он может быть настолько тонким, что просто коллапсирует. Ссылаясь на исследования 60-х и 70-х годов, Макки и его коллеги пишут, что диски не могут быть намного тоньше, чем диск видимого газа в Млечном Пути, без фрагментирования. «Возможно, темная материя обладает свойствами, которые отличаются от свойств обычной материи и препятствуют этому, но я не знаю, что бы это могло быть», говорит Макки.

Рэндалл пока не отразила эту последнюю атаку, называя ее «хитрым вопросом, который изучается». Она также согласилась с точкой зрения, высказанной Бови — что диск заряженных темным атомов несущественен по сравнению с природой 98% темной материи. Теперь она исследует возможность того, что вся темная материя может быть заряжена одной темной силой, но из-за избытка темных протонов по сравнению с темными электронами, лишь крошечная фракция становится связанной в атомах и выносится в диск. В таком случае диск и гало должны состоять из одних и тех же ингредиентов, «что было бы более экономно», говорит она. «Мы думали, это можно исключить, но не получилось».

Пока что темный диск живет — как символ всего, что известно о темной стороне Вселенной. «Я думаю, что для этой области очень и очень круто, что есть люди, которые рассматривают самые разные идеи», говорит Буллок. «Потому что мы понятия не имеем, что это такое — темная материя, и должны быть открытыми для всего».

По материалам Quanta Magazine