Найден сильный теоретический аргумент в пользу аксионной тёмной материи
По расчётам американских физиков, тёмная материя, частицами которой служат гипотетические нейтральные аксионы, должна помочь решить одну из важнейших проблем космологии — явное несоответствие теоретических и экспериментальных оценок содержания лития-7, синтезированного в самом начале эволюции Вселенной.
Четверо физиков из
Когда мы говорим о холодной тёмной материи, обычно подразумеваются модели, в которых её компонентами становятся
Аксионы, в отличие от вимпов, изначально не были связаны с ТМ и вводились с целью решения так называемой
До недавнего времени было принято считать, что аксионы, вимпы и другие вероятные формы ТМ (скажем,
Поясним: предположение о создании конденсата Бозе — Эйнштейна позволяет описать естественный механизм охлаждения фотонов на ранней стадии развития Вселенной (от окончания первичного — дозвёздного — нуклеосинтеза до эпохи разделения вещества и излучения). Они получают возможность обмениваться энергией с гораздо более холодными аксионами. Под эпохой разделения здесь понимается входящий в модель Большого взрыва естественный этап эволюции, на котором фотоны перестают активно взаимодействовать с веществом и начинают распространяться свободно. Инициировало такие изменения остывание первичной плазмы, которая превратилась в смесь нейтральных атомов водорода и гелия, сделав Вселенную прозрачной для излучения.
Охлаждение фотонов в молодой Вселенной кажется малозначащей теоретической деталью, однако оно тесно связано с одним из самых серьёзных нерешённых вопросов современной космологии, который в специальной литературе называют «проблемой лития». Суть затруднения в том, что экспериментальные и расчётные оценки первичного содержания изотопа 7Li не сходятся друг с другом (теория предсказывает в 2–3 раза более высокие значения). При рассмотрении других лёгких элементов — дейтерия, 4He, 3He — такой проблемы не возникает: для моделирования первичного нуклеосинтеза необходим, по сути, один входной параметр (отношение числа барионов nB к числу фотонов nγ, обычно представляемое в виде η10 = 1010nB/nγ), и если, опираясь на последние данные со спутника
Поскольку получить экспериментальную оценку изначального содержания лития-7, источниками которого, помимо первичного нуклеосинтеза, могут быть и звёзды, и космические лучи, воздействующие на межзвёздную среду,
Напротив, модель охлаждающей фотоны аксионной тёмной материи относительно проста и логична и позволяет без особых усилий уменьшить объём синтезируемого при расчётах первичного 7Li в 1,82 раза, то есть примерно вдвое.
Величины η10, которые дают модели аксионнной и вимповой тёмной материи, а также эксперименты по измерению содержания лёгких элементов — дейтерия, лития-7, 4He, 3He. В нижней части рисунка приведены значения, учитывающие последние результаты наблюдений. Хорошо заметно, что оценка первичного содержания 7Li снижается по мере накопления данных, усугубляя «проблему лития». (Иллюстрация из журнала Physical Review Letters.) |
Разумеется, назвать гипотезу об аксионном конденсате Бозе — Эйнштейна идеальным решением тоже не получится. Во-первых, предписываемое ею уменьшение параметра η10 относительно величины, измеренной WMAP, даёт не только «полезное» снижение содержания 7Li, но и побочный эффект — перепроизводство дейтерия. Сами авторы не считают этот эффект значимым, указывая на то, что опытные данные по дейтерию ненадёжны.
Другой, более серьёзный недостаток гипотезы можно назвать прямым продолжением её достоинств — чётко прописанного механизма охлаждения фотонов при взаимодействии с аксионами. Рассуждать здесь нужно так: когда между фотонами и аксионами устанавливается тепловое равновесие, большинство последних остаётся в основном состоянии и ведёт себя как холодная тёмная материя, но некоторые всё же оказываются в возбуждённых состояниях и дают небольшой вклад в общую плотность энергии излучения во Вселенной. Эту общую плотность в космологии принято выражать через эффективное число термально возбуждённых степеней свободы нейтрино Nэфф. Если учесть, что в нашем случае дополнительную «прибавку к излучению» обеспечивают не только термически возбуждённые аксионы, но и три известных типа нейтрино, относительно которых фотоны были охлаждены, то мы получим Nэфф = 6,77.
В стандартной космологической модели
Вопрос об истинном значении Nэфф должен решить спутник «
Спутник «Планк» (иллюстрация ESA / C. Carreau). |
Полная версия отчёта опубликована в журнале
Подготовлено по материалам
Нет комментариев.
Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите или зарегистрируйтесь пожалуйста.