# Зеркальные звёзды вокруг нас: как физики ищут скрытую сложность Вселенной

Источник: https://www.youtube.com/watch?v=cWqgmk6q_s0
Канал: Event Horizon
Опубликовано: 09.05.2024

---

В новом выпуске научно-популярного проекта Event Horizon ведущий Джон Майкл Годье обсудил с профессором физики Дэвидом Кёртином одну из самых интригующих загадок современной космологии — природу тёмной материи. Вместо привычной гипотезы об одиночных инертных частицах, исследователь предлагает взглянуть на скрытую массу Вселенной как на сложную экосистему, состоящую из зеркальных атомов, звёзд и, возможно, планет. В основе этой концепции лежат фундаментальные симметрии теоретической физики, которые могут быть экспериментально подтверждены уже в ближайшие годы с помощью анализа существующих астрономических каталогов.

## 🌌 Загадка скрытой массы: почему WIMP теряют позиции
[[JUMP:01:46]]

Тёмная материя составляет около 80% от всего материального баланса Вселенной. Эмпирические наблюдения — от флуктуаций реликтового излучения до гравитационного линзирования — дают нам чёткое представление о её крупномасштабном распределении. Галактические гало тёмной материи имеют огромные размеры и сферическую форму. Это строго доказывает, что на астрофизических масштабах тёмная материя является практически бесстолкновительной (collisionless). В отличие от обычного вещества, которое остывает за счёт электромагнитного излучения и сжимается в плоские диски галактик, тёмная материя не способна эффективно сбрасывать тепловую энергию.

Долгое время главным кандидатом на роль этой скрытой массы оставались слабовизаимодействующие массивные частицы — вимпы (WIMP). По мнению Дэвида Кёртина, популярность вимпов — это скорее «социологический артефакт». Она была обусловлена развитием теории суперсимметрии в 1980-х годах. Суперсимметрия изящно решала проблему иерархии — загадку того, почему гравитация на десятки порядков слабее остальных фундаментальных взаимодействий, а элементарные частицы так легки по сравнению с Планковским масштабом. Вимпы шли в комплекте с этой теорией как естественный стабильный остаток. Однако, как подчёркивает гость, за десятилетия поисков на Большом адронном коллайдере следов суперсимметрии обнаружено не было, что заставляет физиков искать принципиально иные пути.

## 🔬 Тупик подземных детекторов и нейтринный барьер
[[JUMP:08:35]]

Джон Майкл Годье поднимает вопрос о возможности фиксации тёмной материи через редкие случайные взаимодействия с обычным веществом, проводя аналогию с регистрацией нейтрино. Дэвид Кёртин подтверждает, что надежда на обнаружение сигнала в глубоких подземных шахтах сохраняется. В настоящее время разрабатываются разнообразные технологии, нацеленные на фиксацию столкновений тёмных частиц с электронами или ядрами атомов в сверхчистых детекторах.

Однако на этом пути исследователи сталкиваются со значительным физическим препятствием, известным как «нейтринный пол» (neutrino floor). Наша планета непрерывно пронизывается потоком нейтрино от Солнца и других удалённых астрофизических источников. По прогнозам Кёртина, в ближайшее десятилетие чувствительность тёмных детекторов возрастёт настолько, что фоновый шум от нейтрино начнёт полностью имитировать гипотетические сигналы тёмной материи. Учёный сравнивает это с микрофоном: если сделать прибор слишком чувствительным, вместо полезного звука вы услышите лишь шуршание насекомых в стенах. Если взаимодействие вимпов с обычным веществом окажется слабее этого барьера, выделить их сигнал на фоне нейтринного шума станет чрезвычайно сложной задачей.

## 🪞 Зеркальный мир: от тёмных протонов к тёмной химии
[[JUMP:13:01]]

Если обычное вещество, составляющее лишь малую долю Вселенной, обладает колоссальным структурным разнообразием — от водорода до урана, то почему тёмная материя должна быть представлена одной-единственной инертной частицей?. Этот логический аргумент подталкивает физиков к изучению сложных моделей. Кёртин приводит в пример теорию «зеркального близнеца Хиггса» (Mirror Twin Higgs), предложенную физиком Закарией Чако и его коллегами в 2006 году. Эта модель решает проблему иерархии без привлечения суперсимметрии и предсказывает существование целого скрытого сектора частиц.

Согласно этой теории, в космосе существует частичная копия Стандартной модели. Это означает наличие следующих компонентов:

* Тёмных кварков, формирующих посредством тёмного сильного взаимодействия зеркальные протоны и нейтроны.
* Тёмных электронов и тёмных фотонов, обеспечивающих скрытый электромагнетизм.
* Полноценных тёмных атомов, способных вступать в химические связи.

Хотя параметры этой системы (массы частиц и константы связей) могут отличаться от наших — например, тёмный электрон может быть в несколько раз тяжелее обычного, — качественно это приводит к возникновению «тёмной химии». Кёртин иронично называет моделирование таких процессов «физическим фанфикшеном об альтернативной Вселенной». Он признаёт, что рассчитать стабильность тёмных молекул из первых принципов невероятно сложно, но теоретически они абсолютно возможны.

## ⭐ Космические кузницы: зеркальные звёзды и планеты
[[JUMP:23:36]]

Эволюция зеркального сектора во многом повторяет раннюю историю нашей Вселенной, где на первых этапах доминировали водород и гелий. Простейшие модели атомной тёмной материи, оперирующие лишь тёмными протонами и электронами, уже предсказывают формирование тёмных галактических дисков и звёзд. В рамках модели зеркального близнеца Хиггса эти невидимые для нас зеркальные звёзды зажигаются за счёт процессов тёмного термоядерного синтеза и излучают тёмные фотоны.

Для возникновения тёмных планет необходим механизм обогащения среды тяжёлыми элементами. В нашем мире углерод, кремний и железо куются в недрах массивных звёзд и выбрасываются в межзвёздное пространство при взрывах сверхновых или слияниях нейтронных звёзд. По мнению Кёртина, если в зеркальном секторе работают аналогичные механизмы выброса вещества, то формирование тёмных планет и даже возникновение тёмной жизни становится вполне осязаемой, хотя и глубоко гипотетической возможностью. Учёный соглашается с ведущим, что это расширяет классический парадокс Ферми до «квадратичной» степени, поскольку мы ничего не знаем о вероятности зарождения жизни в столь экзотических условиях.

## ⚖️ Загадка пятикратного превосходства
[[JUMP:29:16]]

Джон Майкл Годье указывает на явное противоречие: если между мирами существует фундаментальная симметрия, почему тёмной материи во Вселенной в 5 раз больше, чем обычной?. Кёртин объясняет, что выживание барионного вещества в ранней Вселенной обеспечено процессом бариогенеза. Изначально мир содержал равное количество материи и антиматерии, порождённых космологической инфляцией. Однако неизвестный физический процесс создал крошечный дисбаланс: примерно одна на миллиард частиц антивещества превратилась в вещество. После тотальной аннигиляции этот «один выживший на миллиард» и сформировал всю наблюдаемую ткань космоса.

Для атомной тёмной материи также должен был существовать аналогичный процесс скрытого бариогенеза. Однако, как показывают расчёты Кёртина и его коллег, этот механизм крайне чувствителен к тонким различиям в массах и силах взаимодействий двух секторов. Даже минимальные отклонения от зеркальной точности могут сдвинуть итоговый баланс масс в любую сторону. Таким образом, зеркальное вещество вполне может составлять от 1% до 20% тёмной массы, тогда как оставшуюся часть могут занимать другие типы частиц, такие как аксионы или классические вимпы.

## 🛰️ Охота за призраками: Gaia и уникальные спектры зеркальных звёзд
[[JUMP:35:56]]

Самой захватывающей частью беседы становится обсуждение методов обнаружения зеркальных звёзд. Поскольку они не взаимодействуют с нашим электромагнитным излучением напрямую, их можно искать с помощью гравитационного микролинзирования — кратковременного увеличения яркости фоновых звёзд при прохождении перед ними невидимого массивного объекта. Однако существует более прямой метод, основанный на квантовомеханическом феномене кинетического смешивания (kinetic mixing).

Поскольку фотон и тёмный фотон не имеют массы и электрического заряда, законы квантовой физики не запрещают им трансформироваться друг в друга. Теоретические оценки Кёртина указывают, что параметр этого смешивания ничтожно мал и составляет порядка от $10^{-4}$ до $10^{-10}$. Физический эффект пропорционален квадрату этой величины, что дает вероятность взаимного превращения фотонов примерно как один шанс на триллион триллионов. Несмотря на иллюзорность этой цифры, огромные масштабы зеркальных звёзд меняют правила игры.

Когда обычный межзвёздный газ (водород и гелий) пролетает сквозь зеркальную звезду, за счёт колоссального числа атомов вероятность захвата возрастает. Зеркальная звезда эффективно аккумулирует в своём ядре массу обычного газа, сопоставимую с массой астероида. Этот захваченный газ разогревается внутренним теплом зеркальной звезды и начинает испускать уникальное излучение в оптическом и рентгеновском диапазонах. Спектр этого свечения не похож ни на одну известную обычную звезду.

В настоящее время Дэвид Кёртин совместно с профессором Крисом Матзнером (Chris Matzner) из Университета Торонто и исследователями Изабель Армстронг (Isabelle Armstrong) и Буркеном Гутсом (Burken Guts) ведут детальные расчёты этих спектров. По утверждению Кёртина, искомые сигналы могут скрываться в уже существующих базах данных, таких как архив Gaia, содержащий высокоточные параметры миллиардов звёзд. Аномально тусклые, но расположенные близко к Земле объекты могут оказаться первыми прямыми свидетельствами существования зеркальной материи, сфотографированными много лет назад.