Тёмная материя — одна из главных загадок современной космологии. Она невидима для телескопов, но составляет, по оценкам учёных, значительную часть массы Вселенной. Известно, что взаимодействует она с обычным веществом только гравитационно. Если у её частиц нет симметрии, удерживающей их от распада, они могут распадаться — например, на гравитоны, гипотетические переносчики гравитации. Такая гипотеза обсуждается в физике давно, но до недавнего времени проверить её было нечем.
«Поскольку известно, что тёмная материя взаимодействует только гравитационно, она вполне может распадаться на гравитоны за космологические времена» (перевод с англ.: "Since dark matter is only known to have gravitational interactions, it may plausibly decay to gravitons on cosmological timescales"; цитата по ScienceAlert, подтверждена в работе Dunsky, Krnjaic, Pinetti, Physical Review D / arXiv:2503.19019).
Почему распад на гравитоны так интересен? Гравитоны — гипотетические частицы гравитационного поля. Сами по себе они ненаблюдаемы, но в магнитных полях могут превращаться в фотоны — кванты света. Это явление называют эффектом Герценштейна.
«Мы предлагаем новую стратегию поиска, основанную на эффекте Герценштейна, при котором гравитоны, рождённые при распаде тёмной материи, могут превращаться в фотоны в крупномасштабных магнитных полях на луче зрения наблюдателя» (перевод с англ.: "We propose a new search strategy that exploits the Gertsenshtein effect, whereby the gravitons produced in dark matter decays can convert to photons in large-scale magnetic fields along the line of sight to an observer"; цитата по аннотации статьи в Physical Review D).
Где взять такие поля? Оказалось, что они есть и в межгалактическом пространстве: космические нити (filaments) — гигантские структуры из тёмной и обычной материи, соединяющие галактики, — занимают примерно 30% объёма наблюдаемой Вселенной и содержат магнитные поля напряжённостью 10–100 наногаусс с длиной когерентности порядка мегапарсека. Этого достаточно, чтобы гравитоны превращались в гамма-лучи на пути к наблюдателю.
Авторы работы — Дэвид Дански, Гордан Крняич и Елена Пинетти — использовали данные космического гамма-телескопа Fermi-LAT о внегалактическом гамма-фоне.
«Используя этот консервативный метод, мы впервые устанавливаем пределы на время жизни тёмной материи в диапазоне масс от 0,1 ГэВ до 10⁸ ГэВ в предположении распада только на гравитоны» (перевод с англ.: "Using this conservative method, we place the first limits on the dark matter lifetime in the GeV mass range, assuming only decays to gravitons"; цитата по arXiv).
Это первые в истории ограничения на такой канал распада. При этом сигнал от конверсии должен приходить преимущественно из межгалактического пространства, а не из центра Галактики — для превращения гравитонов в фотоны нужны огромные расстояния, и у ближних источников он просто не успевает возникнуть.
Дальше чувствительность вырастет: будущая астрофизическая миссия APT (концепция, рассматриваемая NASA) позволит увеличить её примерно на порядок. Если гипотеза верна, новые инструменты вскоре смогут «увидеть» распад тёмной материи в гамма-лучах.
Работа принята к публикации в журнале Physical Review D (препринт arXiv:2503.19019). На русском языке о ней также писали hightech.plus и «Наука ТВ» (naukatv.ru).
