Цивилизация
Увидеть следы аннигиляции частиц тёмной материи проще всего в направлении на центр нашей Галактики, а не в центрах мелкомасштабных скоплений тёмного вещества в звёздных окрестностях Солнечной системы. Однако если космические телескопы смогут зафиксировать сигнал от гладкой компоненты, то вероятнее всего удастся разглядеть и карликовые галактики, из которых сформировался Млечный путь – в том числе и те, в которых звёзд нет, а есть одна лишь тёмная материя.
Учёные под руководством Фолькера Шпрингеля из Института астрофизики германского Общества имени Макса Планка смоделировали этот сигнал с помощью нескольких мощнейших суперкомпьютеров Европы, входящих в консорциум Virgo. Согласно результатам моделирования, ярче всего в гамма-лучах, возникающих при аннигиляции частиц тёмной материи друг с другом, будет светиться центр нашей Галактики. Сигнал от самых ярких структур меньшего размера будет в десятки раз слабее. Соответствующая статья опубликована в последнем номере Nature.
Учёным известно, что обычные частицы вроде протонов и электронов составляют лишь малую часть от общей плотности вещества во Вселенной. Её львиная доля приходится на так называемую тёмную материю, состоящую, по мнению многих астрофизиков, из частиц, являющихся партнёрами частиц обычного вещества в рамках так называемых суперсимметричных расширений Стандартной модели физики элементарных частиц. Такие тёмные частицы могут аннигилировать при редких (из-за слабости взаимодействия) встречах друг с другом, порождая среди прочего и гамма-кванты электромагнитного излучения. Заметить это свечение способны космические обсерватории – например, выведенный в космос летом этого года космический гамма-телескоп имени Энрико Ферми.
Частота столкновений частиц тёмной материи пропорциональна квадрату их плотности. Поэтому многие астрофизики полагали, что ярче всего будут светиться самые плотные – они же самые маленькие – сгустки тёмной материи, из которых иерархически, от малых к всё большим и большим структурам, за миллиарды лет возникли гигантские галактики вроде нашей, Млечного пути. Другие полагали, что основной сигнал даст гало Галактики – вытянутая протяжённая структура, в которой эти мелкие сгустки уже во многом размешались. Плотность гало больше всего в центре, потому именно в направлении на центр Галактики, по мнению этой партии, и стоит искать сигнал аннигиляции тёмной материи.
Судя по расчётам Шпрингеля, правы именно вторые. Шпрингель и его коллеги вычислили квадрат плотности в модели тёмной материи, которую не один месяц рассчитывали несколько мощнейших суперкомпьютеров Германии и других стран Европы. Эволюцию распределения тёмной материи в расширяющейся Вселенной учёные моделировали, как взаимодействующие лишь гравитационным образом частицы, по ходу счёта улучшая разрешение модели в нужных местах. Астрофизики «прогнали» модель несколько раз при разном разрешении и тщательно сравнили итоги расчётов, используя результаты этого сравнения для дальнейшего рафинирования модели.
Затем оставалось лишь спроектировать полученное распределение тёмной материи на небо условного «земного наблюдателя» (начальные условия для конкретно нашей Галактики никто не знает). И выяснилось, что сигнал от гладкой компоненты гало на полтора-два порядка превосходит сигналы от нерастворившихся в нём мелкомасштабных структур. Причина этого во многом именно в проектировании – хотя мелкие сгустки сами по себе светятся ярче, они случайно разбросаны по небу. А вот в направлении на галактический центр все слабые сигналы накладываются друг на друга. В итоге именно коллективная работа побеждает яркую индивидуальность.
Сколько конкретно квантов увидят гамма-телескопы, сказать нельзя – это зависит от неизвестной пока (но, кажется, начинающейся проявлять себя) физики тёмной материи. Множитель, переводящий проекцию квадрата плотности тёмной материи в яркость в гамма-лучах, пока неизвестен. Однако он будет един и для гало, и для мелкомасштабных сгустков, так что относительный их вклад можно оценить.
По мнению учёных, характерная яркость самых заметных сгустков будет примерно на один-два порядка меньше, чем яркость галактического центра. Для астрономов, привыкших работать в динамическом диапазоне в десятки порядков – не такая уж большая величина. Так что если удастся заметить свечение галактического центра (а по некоторым признакам, его уже видит российско-европейская космическая обсерватория INTEGRAL), то через некоторое время на этом гладком фоне начнут прорисовываться и мелкомасштабные сгустки. По расчётам Шпрингеля, светиться ярче всего будут сгустки, соответствующие ядрам карликовых галактик, поглощённых нашей Галактикой – в том числе и «тёмных» карликовых галактик, в которых никогда так и не зажглись звёзды. Их на балансе пока сильно не хватает.
