Представьте себе невидимый космический объект, который дышит — циклично сжимается и расширяется, словно живое сердце. Каждый его «вдох» и «выдох» искажает свет далёких звёзд особым, неповторимым образом. Именно такую картину нарисовала группа физиков из Кореи и Китая, предложив новый метод охоты на тёмную материю — ту самую субстанцию, что составляет около 85% массы Вселенной, но до сих пор ускользает от прямого наблюдения.

Авторы работы — Ян Синъюй (Yang Xingyu), постдок Корейского института перспективных исследований, Чэнь Тань (Chen Tan), постдок Пекинского педагогического университета, и Цай Жунгэнь (Cai Ronggen), президент Университета Нинбо и академик Китайской академии наук. В статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters, они впервые показали: если тёмная материя состоит из сверхлёгких аксионов или подобных им частиц, то она может образовывать «осциллирующие бозонные звёзды» — и у этих звёзд есть уникальная гравитационно-линзовая «временна́я подпись», которую не подделать ничем другим.

Дыхание бозонной звезды

Тёмную материю ищут десятилетиями. Один подход — ловить сами частицы в подземных детекторах или рождать их на коллайдерах. Другой — следить за гравитацией: как тёмное вещество искривляет пути света, удерживает галактики от разлёта. Гравитационное линзирование здесь — классический инструмент. Но до сих пор учёные рассматривали линзы как нечто статичное: масса распределена и не меняется. Новая работа ломает эту традицию, вводя в игру время.

Идея держится на гипотетических объектах — осциллирующих бозонных звёздах. Если тёмная материя состоит из сверхлёгких реальных скалярных бозонов (аксионы или аксионоподобные частицы), они могут под действием собственной гравитации сконденсироваться в компактные сгустки. Но у таких сгустков нет сохраняющегося заряда, который стабилизировал бы структуру. Поэтому пространство-время внутри них и распределение материи не застывают, а находятся в непрерывной когерентной осцилляции — звезда периодически расширяется и сжимается. Частота этих пульсаций жёстко завязана на массу бозона, а сама звезда может существовать миллиарды лет.

Именно это «дыхание» и порождает уникальный оптический эффект. Вокруг осциллирующей звезды формируется так называемая радиальная каустика — область, где гравитационное усиление света становится особенно сильным. И эта каустика не стоит на месте: она пульсирует синхронно со звездой, сдвигаясь то ближе, то дальше от центра. Когда луч зрения от далёкой фоновой звезды пересекает движущуюся каустику, яркость изображения резко меняется, а само изображение слегка смещается. Причём происходит это строго в такт «дыханию» — каждые полпериода осцилляции. Получается серия вспышек и колебаний, фаза которых привязана к внутреннему ритму тёмного объекта.

«Такую ритмическую подпись не способен имитировать ни один другой астрофизический объект», — объясняет Ян Синъюй. Чёрная дыра поглотила бы критические лучи, обычная звезда непрозрачна и просто заслонила бы фон, а статичная бозонная звезда из комплексного скалярного поля не имеет пульсирующей каустики. Значит, если телескопы зарегистрируют периодический сигнал с такими характеристиками, это станет железным аргументом в пользу обнаружения тёмной материи в форме бозонных звёзд. Даже если сигнал не найдётся, метод позволит установить строгие ограничения на долю таких объектов в общей массе тёмного вещества — то есть работает в обе стороны.

От уравнений до «отпечатков пальцев»

При всей элегантности идеи, расчёты оказались нетривиальными. Главная трудность — описать отклонение света в метрике, которая сама меняется во времени. Для статичной чёрной дыры Шварцшильда есть чёткая формула угла отклонения. Здесь же пришлось сначала численно решать совместные уравнения Эйнштейна и Клейна–Гордона, чтобы получить осциллирующую пространственно-временную геометрию, потом — рассчитывать траектории отдельных фотонов, и наконец строить линзовое уравнение для анализа каустик. Цепочка вычислений заняла около полутора лет.

Прорыв случился благодаря двум находкам. Во-первых, исследователи подобрали интерполяционную формулу с изломанным степенным законом, которая позволила описать зависимость угла отклонения от времени и прицельного параметра в аналитическом виде — без громоздкой численной подгонки. Во-вторых, они осознали, что периодическое движение каустики — универсальная черта осциллирующих бозонных звёзд, и сосредоточились именно на наблюдательных последствиях пересечения каустики лучом зрения. Так удалось вычленить полный набор синхронизированных сигналов — «временны́х отпечатков».

Интересно, что работа выполнена крошечной командой из трёх человек на обычных рабочих станциях, без привлечения крупных обсерваторий. Это чистая теория, но с прямым выходом на практику. По оценкам авторов, в разумных диапазонах параметров существующие астрометрические и фотометрические обзоры неба (например, данные спутника Gaia) потенциально могут зарегистрировать до миллиона событий, связанных с осциллирующими бозонными звёздами.

Контекст и перспективы

Бозонные звёзды как кандидаты на роль тёмной материи обсуждаются не первое десятилетие. Но раньше исследователи изучали в основном их структуру, стабильность и излучение гравитационных волн. В гравитационном линзировании рассматривались лишь статические модели. Новая работа впервые добавляет временно́е измерение — и это попадает в тренд: современные телескопы всё чаще ведут мониторинг неба в реальном времени, накапливая гигантские массивы данных, где можно искать переменность.

Кстати, мы уже писали о том, как галактики растут без тёмной материи — наблюдения «Гершеля» показали, что в некоторых системах звёздообразование идёт полным ходом при явном дефиците невидимого вещества. Это ставит под вопрос роль тёмной материи как фундаментальной основы. А в другой статье рассказывали, что мы летим сквозь невидимый диск тёмной материи — Млечный Путь, похоже, погружён в разреженный неподвижный слой тёмного вещества, сквозь который мы несёмся со скоростью 220 км/с. Новый метод способен помочь разобраться и в таких загадках, выявляя конкретные сгустки тёмной материи.

Рецензенты Physical Review Letters назвали подход «интересным и в высшей степени оригинальным, новым и проницательным». Более того, явление периодической каустики не ограничивается только реальным скалярным полем — оно естественно возникает и в других моделях тёмной материи, так что ценность идеи выходит далеко за рамки одной конкретной гипотезы.

Ян Синъюй, ведущий автор, планирует развивать тему в нескольких направлениях. Во-первых, расширить анализ на другие частицы-кандидаты — аксионоподобные частицы с самодействием, сверхлёгкие векторные бозоны — и посмотреть, как меняются каустики и сигналы. Во-вторых, совместно с наблюдателями начать реальный поиск периодических линзовых событий в существующих базах данных, чтобы превратить теорию в открытие. В-третьих, выйти за пределы оптического линзирования и изучить, как осциллирующие бозонные звёзды могут модулировать гравитационные волны — это открыло бы новое окно в гравитационно-волновой астрономии.

Любопытен и личный путь исследователя. Ян Синъюй пришёл в науку в 2016 году, ещё студентом Пекинского педагогического университета, когда попал в программу Китайской академии наук для undergraduates. Его наставником стал Цай Жунгэнь, тогда работавший в Институте теоретической физики Академии. «Поначалу я был полным новичком в науке — горел энтузиазмом, но не знал, куда двигаться», — вспоминает Ян. Цай привил ему привычку к международному сотрудничеству и широкому взгляду, что позже привело Яна в Корейский институт перспективных исследований. Теперь, завершая зарубежный этап, он планирует вернуться в Китай и работать там, цитируя слова пионера китайской ядерной физики Пэн Хуаньу: «Чтобы вернуться на родину, не нужно причин; чтобы не возвращаться — нужны».

Исследование поддержано Национальным фондом естественных наук Китая и индивидуальным грантом Корейского института перспективных исследований. А его главный результат — «дыхание» тёмной материи — возможно, скоро перестанет быть просто красивой метафорой и станет ключом к одной из величайших загадок космоса.