Темная материя как межгалактический источник тепла

 Спектры квазаров предполагают, что межгалактический газ мог быть нагрет формой темной материи, называемой темными фотонами.

Фото: physics.aps.org

Облачный прогноз. Свет от далеких квазаров движется через Вселенную к Земле и на его пути запечатлеваются следы поглощения газообразного водорода, с которым он сталкивается. Эти линии поглощения указывают на аномальный нагрев, который можно объяснить темной материей.

Плотные газовые облака во Вселенной поглощают свет от далеких квазаров, создавая линии поглощения в спектрах квазаров. Новое исследование показывает, что большая, чем предполагалось, ширина этих линий от близлежащих газовых облаков может быть результатом формы темной материи, называемой темными фотонами [1]. Эти частицы могли нагревать облака, что приводило к расширению линий поглощения. Были предложены и другие объяснения расширения, основанные на более традиционных источниках нагрева, но если работает механизм темных фотонов, он также может вызывать нагрев в облаках с низкой плотностью из более ранних эпох Вселенной. Исследователи уже планируют проверить это предсказание.

Наблюдая за спектром далекого квазара, астрономы часто наблюдают линии поглощения, исходящие от промежуточных газовых облаков. Наиболее заметной линией поглощения является линия Лаймана-альфа водорода. Действительно, спектры некоторых квазаров имеют «лес» из линий Лаймана-альфа, каждая из которых исходит из облака на разном расстоянии от нашей Галактики (или в разные эпохи). Изучая ширину, глубину и другие детали формы линий, исследователи могут извлечь информацию о плотности, температуре и других характеристиках облаков. Эту информацию можно сравнить с результатами космологических симуляций, пытающихся воспроизвести слипание материи в галактики и другие крупномасштабные структуры.

Сравнения между данными о лесах и моделированием в целом показали хорошее совпадение, но расхождение проявляется для относительно близких газовых облаков. Наблюдения показывают, что эти так называемые облака с малым красным смещением производят более широкие линии поглощения, чем предсказывалось при моделировании. «Это может быть признаком конкретного кандидата в темную материю, который называется темным фотоном», — говорит Андреа Капуто из ЦЕРН в Швейцарии. «Этот темный фотон может вводить некоторую энергию и нагревать газ, [что делает] линии немного шире, что лучше согласуется с данными».

Фото: physics.aps.org)

Увидеть деревья. Свет от далекого квазара проходит через области плотного газа (фиолетового цвета) в межгалактической среде. Газ поглощает свет на определенных частотах, что приводит к «лесу» линий поглощения в спектрах квазара (зеленый).

Чтобы изучить, как может работать эта инъекция энергии, Капуто и его коллеги провели космические симуляции с темными фотонами. Теория темных фотонов предполагает, что частицы могут самопроизвольно превращаться в нормальные фотоны с некоторой малой вероятностью, но это превращение может быть усилено при попадании темных фотонов в ионизированный газ, удовлетворяющий условию резонанса. Условие сводится к тому, что газ имеет определенную плотность, которая определяется массой темного фотона. Если межгалактическое облако имеет такую ​​плотность, то обычные фотоны, генерируемые резонансным преобразованием, будут нагревать газ.

Капуто подчеркивает, что плотность облака меняется со временем, поэтому условие резонанса будет выполняться только в течение определенного периода времени. Этот зависящий от времени нагрев уникален для темных фотонов, так как ожидается, что другие предполагаемые типы выделяющей тепло темной материи, такие как распадающиеся или аннигилирующие, будут постоянно «включаться». Однако модели непрерывного нагрева ограничены другими космологическими наблюдениями, такими как космический микроволновый фон, который не показывает признаков необъяснимого нагрева.

Моделирование Капуто и его коллег предполагает, что темные фотоны с чрезвычайно малой массой около 10−14 эВ/c2 (примерно в 1019 раз меньше массы электрона) будут резонансно преобразовываться в фотоны в облаках Лайман-альфа с малым красным смещением. Это преобразование введет в газ от 5 до 7 эВ энергии на атом водорода, что достаточно для учета наблюдений.

Кроме того, команда предсказывает, что нагрев темных фотонов мог происходить при более высоком красном смещении, но только в так называемых недоплотных облаках, которые в прошлом имели более высокую плотность — потенциально достаточно высокую, чтобы соответствовать условию резонанса. В настоящее время команда проводит симуляции, чтобы увидеть, согласуется ли этот предсказанный нагрев с наблюдениями за облаками с большим красным смещением.

Однако экзотические физические модели темной материи могут не потребоваться для объяснения данных Лайман-альфа, говорит астрофизик Блейксли Беркхарт из Университета Рутгерса в Нью-Джерси. Она говорит, что темные фотоны — захватывающая возможность, но исследователи еще не исключили более традиционные источники нагрева, такие как сверхмассивные джеты черных дыр в центрах галактик, известные как активные галактические ядра.

Сэм Витте, космолог из Амстердамского университета, согласен с тем, что объяснение темных фотонов является более спекулятивным, чем другие сценарии, но он считает, что исследователи привели убедительные доказательства с проверяемыми предсказаниями. «Если будущие исследования исключат традиционные астрофизические объяснения, необходимо рассмотреть возможность того, что мы могли бы наблюдать первый негравитационный отпечаток темной материи», — говорит он.

Источник