Природа темної матерії продовжує спантеличувати вчених. Оскільки пошук частинок темної матерії, як і раніше, нічого не дає, привабливо взагалі відмовитися від моделі темної матерії, але непрямі докази цієї речовини як і раніше переконливі. Так що ж це? Група вчених-фізиків висунула нову ідею, і вони опублікували результати свого першого пошуку.
Темна матерія не може бути звичайною матерією. Звичайна речовина (атоми, молекули тощо) легко поглинає і випромінює світло. Навіть якщо б темна матерія була хмарами настільки холодних молекул, що вони майже не випромінювали б світла, їх все одно можна було б побачити по світлу, що поглинається ними. Вони виглядали б як темна туманність, зазвичай спостерігається поблизу галактичної площини.
Але їх недостатньо, щоб пояснити ефекти темної матерії, які вчені спостерігають. Дослідники також виключили нейтрино. Вони не сильно взаємодіють зі світлом, але нейтрино являють собою форму «гарячої» темної матерії, оскільки нейтрино рухаються майже зі швидкістю світла. Відомо, що більша частина темної матерії повинна бути «повільною» і, отже, «холодною». Так що, якщо темна матерія існує, це має бути щось ще.
В останній роботі автори стверджують, що темна матерія може складатися з частинок, відомих як скалярні бозони.
Всю відому матерію можна розділити на дві великі категорії, відомі як ферміони і бозони. До якої категорії належить частинка, залежить від квантової властивості, відомої як спин. Ферміони, такі як електрони і кварки, мають дробовий спин, такий як 1/2 або 3/2. Бозони, такі як фотони, мають цілочисельний спин, такий як 1 або 0. Будь-яка частинка зі спином 0 є скалярним бозоном.
Хоча це здається тривіальною відмінністю, ці два види частинок поводяться абсолютно по-різному, коли їх об'єднують у великі групи.
Ферміони ніколи не можуть займати один і той же квантовий стан, тому, коли ви намагаєтеся стиснути їх разом, вони відштовхуються. Ось чому існують білі карлики і нейтронні зірки. Гравітація намагається зіштовхнути електрони або нейтрони разом, але тиск Фермі настільки великий, що може чинити опір гравітації (до певної межі).
Бозони, з іншого боку, можуть займати один і той же стан. Тому, якщо переохолодити групу бозонів (таких як гелій-4), вони можуть осісти в дивний квантовий об'єкт, відомий як конденсат Бозе-Ейнштейна.
Єдиний відомий скалярний бозон - бозон Хіггса. Він не може бути квантом темної матерією, враховуючи її відомі властивості, але деякі теорії пропонують інші скалярні бозони. Вони не будуть взаємодіяти зі світлом, тільки з гравітацією. Оскільки світло не може їх нагріти, з часом ці скалярні бозони охолонуть і організовуються у великі хмари. Так що, можливо, темна матерія складається з великих дифузних хмар скалярних бозонів.
Це цікава ідея, але як її можна довести? Виявляється, раз скалярні бозони взаємодіють гравітаційно, то вони взаємодіють і з гравітаційними хвилями.
Залежно від маси скалярні бозони також можуть розпадатися, випускаючи гравітони. У результаті скалярні бозони можуть створювати гравітаційні хвилі з певною частотою. Це гравітаційний еквівалент слабкого гулу. Тому дослідники вивчили дані про гравітаційні хвилі від LIGO і Virgo.
Вони шукали свідчення гравітаційного гулу в діапазоні 20-600 Гц і нічого не знайшли. На підставі своєї роботи автори роблять висновок, що молодих скалярних бозонних хмар у нашій галактиці немає. Також немає старих і холодних скалярних бозонних хмар в межах 3000 світлових років від Землі.
Це дослідження не виключає повністю скалярні бозони, але накладає деякі сильні обмеження на цю ідею.
У своєму прагненні виявити, що таке темна матерія, вчені продовжують з'ясовувати, чим вона не є.