Тёмная материя обладает двумя ключевыми свойствами: она имеет массу, как и обычная материя, но в отличие от неё слабо взаимодействует со светом или не взаимодействует вовсе. Нейтрино соответствуют этим критериям, но они движутся в пространстве почти со скоростью света, что делает их горячей тёмной материей. Наблюдения указывают на то, что тёмная материя холодная.
Нейтрино недостаточно для объяснения всей тёмной материи, поэтому мы знаем, что она не состоит из нейтрино. Ни одна другая известная частица не соответствует этим критериям, поэтому мы не знаем, из чего может состоять тёмная материя. Здесь на помощь приходят теоретические физики.
Одна из наиболее популярных теоретических идей заключается в том, что тёмная материя состоит из слабо взаимодействующих массивных частиц (WIMP). Существуют различные версии WIMP, но основная идея заключается в том, что они слишком массивны для наблюдения в существующих у нас ускорителях частиц. Одним из следствий существования WIMP является то, что они могут — либо спонтанно, либо посредством взаимных взаимодействий — распадаться на менее массивные частицы, которые мы наблюдаем в настоящее время.
Из-за этого было проведено несколько поисков излучений от тёмной материи, таких как гамма-лучи. Идея заключается в том, что при столкновении тёмной материи может возникнуть каскад частиц и света высокой энергии. Доказательства этого пока крайне слабы и не достигают уровня чётких доказательств. Если тёмная материя взаимодействует, то не сильно и не излучает значительного количества света.
Недавнее исследование
Недавнее исследование рассматривает частицы распада WIMP по-другому. Исследование опубликовано в журнале Physics Letters B.
Вместо прямого обнаружения частиц распада с высокой энергией авторы рассчитывают, как фоновый свет будет взаимодействовать с этими частицами. Они обнаружили, что могут быть взаимодействия, которые влияют на свет от далёких галактик измеримым образом.
Команда рассчитала теоретические сечения рассеяния для двух случаев тёмной материи: когда тёмная материя взаимодействует только гравитационно и когда столкновения частиц тёмной материи производят вторичные частицы. Они обнаружили, что в первом случае фотоны низкой энергии имеют тенденцию рассеиваться больше вперёд, а во втором случае фотоны имеют тенденцию чаще рассеиваться назад.
Это означает, что если тёмная материя чисто гравитационная, то проходящий через неё свет получит немного дополнительной энергии в целом, слегка смещаясь в сторону синего цвета. Если тёмная материя слабо взаимодействует, то проходящий через неё свет теряет немного энергии и становится слегка более красным.
Следует подчеркнуть, что этот эффект окрашивания очень мал. Он слишком мал, чтобы позволить использовать альтернативные модели космологии, такие как усталое свечение. Но эффект может быть достаточно большим, чтобы мы могли его наблюдать. Например, авторы сравнили свои модели с наблюдениями Fermi-LAT галактического центра Млечного Пути.
Они обнаружили, что любая модель соответствует неопределённостям имеющихся у нас наблюдений. Более точные наблюдения гамма-лучей высокой энергии из центра нашей галактики могут доказать или опровергнуть модель.
Тёмная материя остаётся глубокой загадкой космологии, поэтому важно продолжать поиск новых идей. Возможно, открытие, которое мы ищем, докажет, что мы видим Вселенную сквозь розовые очки.