Тёмная материя является субстанцией, невидимой ни для каких приборов. О её существовании учёные знают лишь по гравитационным эффектам, которые она вызывает. Ранее высказывались предположения о том, что неуловимая материя состоит из так называемых вимпов — слабовзаимодействующих массивных частиц (Weakly Interacting Massive Particles или WIMP).
Своё название они получили от того, что из четырёх видов фундаментальных взаимодействий частицы тёмной материи участвуют лишь в слабом и гравитационном. Тот факт, что в электромагнитном взаимодействии они не участвуют, делают их невидимыми для современных приборов.
"Нет резона полагать, что вся тёмная материя во Вселенной состоит лишь из одного вида частиц", — заявил ведущий автор последнего исследования в этой области Андрей Кац (Andrey Katz) из Гарвардского университета.
Он и его команда полагают, что пятая часть тёмной материи должна состоять из тёмных протонов и электронов, которые образуют тёмные атомы. Если этот новый вид загадочной субстанции действительно существует, то его должно быть примерно столько же, сколько и обычной материи.
Новая теория о тёмных атомах предполагает, что они состоят из тяжёлых тёмных протонов и лёгких тёмных электронов. В таком случае взаимодействие между этими частицами для формирования атомов должно быть намного более мощным, чем между вимпами. Кац и его коллеги считают, что природа тёмной материи может быть похожа на природу обычной: формирование тёмных атомов может происходить посредством обмена тёмными фотонами через своеобразный "тёмный электромагнетизм". Вероятно, взаимодействия происходят не только на субатомном уровне, но и между самими тёмными атомами, то есть существует некая "тёмная химия".
Тёмный мир может быть не менее интересным, чем привычный нам, пишут члены команды Каца в своей статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters.
Взаимодействия между тёмными протонами и электронами провоцируют потерю энергии. Тогда частицы должны начать медленнее двигаться, что в результате приведёт к их нагромождению и формированию плоского диска вокруг Галактики. По крайней мере, так происходит с обычной материей. Судя по производимым эффектам, тёмная материя образует диски вокруг галактик, звёзд и планет.
Концепция, описанная Кацом и его коллегами, подразумевает наличие двух дисков вокруг галактик — одного из обычных атомов, другого из тёмных. Теорию так и назвали: модель двойного диска тёмной материи.
"Идея о существовании двойного диска является новым витком в понимании природы Вселенной. Возможно, физика тёмной материи является такой же сложной и интересной, как и физика материи видимой", — говорит теоретик Шон Кэрролл (Sean Carroll) из Калифорнийского технологического института (Caltech), который не принимал участия в нынешней работе.
Кэрролл и его коллеги ранее говорили о возможности существования некой тёмной силы, близкой по своей природе к привычному нам электромагнетизму. Такая сила подразумевает взаимодействие положительно и отрицательно заряженных частиц. "Данная модель включает в себя тёмную радиацию, тёмные электромагнитные поля и многие другие феномены. Но согласно нашей теории, тёмная материя состоит лишь из одного вида частиц, а такие явления как тёмные атомы и тёмная химия подразумевают наличие большего количества типов частиц", — объясняет Кэрролл.
Гравитационные эффекты, вызванные диском из тёмной материи вокруг Галактики, могут быть замечены космическим телескопом Gaia, который будет выведен на орбиту осенью 2013 года. Кац надеется, что тогда учёные и получат первые доказательства наличия "тёмного диска".
Новая форма тёмной материи должна быть более медленной, чем обычная тёмная материя. Соответственно, она будет притягиваться к Земле, Солнцу и другим тяжёлым небесным телам. Если тёмная материя притянется к Солнцу, то произойдёт аннигиляция, что в итоге вызовет мощный выброс нейтрино. Когда поток этих частиц достигнет Земли, то можно будет зафиксировать его с помощью нейтринной обсерватории IceCube, расположенной на Южном полюсе.
Также согласно новой теории, у тёмной материи должна быть и пара — тёмная антиматерия, состоящая из тёмных антиэлектронов и тёмных антипротонов. Когда такие частицы и античастицы сталкиваются, то выделяются гамма-лучи, которые можно будет засечь современными приборами.
Развивая свою идею, физики предположили, что тёмные атомы могли сформировать тёмные облака из тёмной плазмы, пульсации в которой, вероятно, повлияли на образование молодой Вселенной, а также до сих пор оказывают влияние на крупные космические объекты.
"Теория существования нового вида тёмной материи, состоящей из нескольких типов частиц, послужит прекрасной базой для создания новых моделей взаимодействия элементарных частиц. Однако природу всех предсказанных явлений ещё предстоит изучить и описать", — заключает Кэрролл.
