тёмная материя из конденсата Бозе-Эйнштейна

Кристалл хенмилита, напоминающий слоёный пирог из меди и бора, представляет собой спиновую лестницу: спины меди организованы в две параллельные цепочки, соединённые «перекладинами».

Чёрная дыра — область пространства-времени с настолько сильной гравитацией, что даже свет не может её покинуть — похожа на волчок, который в вакууме вращался бы вечно. Но если вокруг неё сформируется облако из сверхлёгких бозонов — гипотетических частиц с целым спином, — картина меняется.

В первые мгновения после Большого взрыва Вселенная напоминала кипящий котёл — сверхплотную, горячую плазму элементарных частиц. Согласно одной из гипотез, именно в этой среде могла родиться тёмная материя — невидимое вещество, которое своим гравитационным притяжением удерживает галактики от развала.

Невидимый гравитационный каркас удерживает галактики от разлёта. Это тёмная материя — субстанция, которая не излучает свет и почти не взаимодействует с обычным веществом, кроме как через гравитацию. Астрофизики давно спорят о её природе.

Возьмём два тонких листа полупроводника. Один пропитан свободными электронами — как переполненное кафе, где каждый столик занят. Второй, наоборот, полон пустых мест — «дырок», которые жаждут заполниться. Когда эти листы сближают, между ними проскакивает искра притяжения: электроны и дырки начинают ощущать друг друга через тонкий зазор.

Чёрная дыра — не просто космический пылесос. Если она вращается, то способна усиливать волны вокруг себя, как горное эхо повторяет звук. Для сверхлёгкой тёмной материи — гипотетических частиц в миллиарды раз легче электрона — этот эффект, называемый сверхизлучением, может создать огромное облако.

Чёрная дыра, словно прялка, закручивает вокруг себя облако из лёгких частиц — аксионов. Эти частицы — главные кандидаты на роль тёмной материи. Облако живёт по законам квантовой механики, напоминая огромный атом: есть уровни, есть переходы между ними. Только вместо электрических сил здесь работает гравитация.

Свет застревает в кристаллической решётке, но не простой, а вывернутой наизнанку — как пчелиные соты, где вместо воска пустота, а рёбра сделаны из материала. Так устроен обращённый опал — трёхмерный фотонный кристалл, который не пропускает свет определённых цветов.

В центре многих галактик прячется невидимое гало из тёмной материи — оно удерживает звёзды на окраинах, не давая им разлететься. Долгое время его описывали как разреженный газ частиц, но новая работа предлагает иной взгляд: тёмная материя может собираться в квантовую каплю.

Если чёрная дыра быстро вращается, она способна удерживать вокруг себя облако из сверхлёгких частиц — настолько лёгких, что их масса почти исчезает. Вместе они выстраиваются слоями, словно электроны в атоме, только вместо электрических сил работает гравитация. Такая конструкция копит энергию, подобно взведённой пружине.

В квантовом мире частицы тёмной материи могут сливаться в единую сверхтекучую каплю — состояние, известное как конденсат Бозе–Эйнштейна, где вещество течёт без трения, подобно идеальной жидкости.

Вселенная полна невидимого вещества, которое управляет движением галактик. В 1970-х астроном Вера Рубин показала: без тёмной материи звёзды на окраинах давно разлетелись бы. Но из чего она состоит, неизвестно.

Две параллельные струи атомов, выпущенные из бозе-конденсатов, начинают свой путь в свободном падении. В классической картине их разделение остаётся неизменным — как два лыжника, скользящие по безупречно ровному склону. Но если пространство-время — не застывший снег, а живая, колышащаяся мембрана, то каждый её трепет передаётся материи.

В тонком бутерброде из полупроводников свет рождает пары — электрон и положительную дырку, которые держатся вместе, как шарик на резинке. Обычно такие пары, экситоны, быстро излучают свет и исчезают. Но есть и другие — тёмные, живущие в сотни раз дольше, потому что их внутреннее устройство запрещает им легко отдавать энергию наружу.

Каждая изолированная квантовая система неумолимо движется к тепловому равновесию — состоянию, где стираются любые детали прошлого. Это похоже на оркестр: вместо симфонии он начинает играть белый шум — случайные, но статистически предсказуемые ноты. Однако иногда сквозь эту какофонию пробиваются упрямые мелодии — «многочастичные шрамы».

Камень падает в пруд — и круги бегут во все стороны. Примерно так же массивное тело рождает рябь в пространстве-времени. Только колеблется не вода, а сама ткань реальности, и вместо кругов — гравитационные волны. До сих пор их ловили огромные установки вроде LIGO, способные уловить дрожь от слияния чёрных дыр.

В сверххолодном облаке атомы калия ведут себя как волны, которые могут складываться и усиливать друг друга — примерно как звуковые волны в музыкальном инструменте создают громкий аккорд. Физики научились управлять этим процессом, меняя силу взаимодействия между атомами с помощью магнитного поля.

В конце 1990-х годов Сол Перлмуттер, Адам Рисс и Брайан Шмидт, анализируя яркость далёких сверхновых типа Ia, обнаружили неожиданный факт: Вселенная расширяется с ускорением.

Тёмная материя — загадочная субстанция, составляющая 85% вещества Вселенной, — остаётся невидимой для наших приборов, проявляя себя лишь через гравитационное взаимодействие. Уловить её присутствие можно по своеобразному космическому «звуку» — слабой вибрации, пронизывающей пространство.

Тёмная материя — невидимый океан, который, как показали наблюдения Веры Рубин за скоростями звёзд на окраинах галактик, удерживает их от разлёта: гравитационное притяжение этого океана компенсирует центробежную силу.

Две чёрные дыры кружатся в тесном танце, и вокруг них рождается нечто удивительное — гравитационная молекула. Облако ультралёгких бозонов, частиц с массой меньше электронвольта, обволакивает пару, как электронное облако в ионе H2+. Только роль ядер играют чёрные дыры, а роль электрона — поле, размазанное на десятки километров.

В лабораториях на Земле конденсат Бозе — Эйнштейна получают, охлаждая облако атомов до миллиардных долей кельвина. Атомы теряют индивидуальность и сливаются в одну квантовую волну, которая ведёт себя как единое целое. Но в космосе такие условия не нужны: гравитация сама создаёт глубокие колодцы, где вещество сжимается и остывает до состояния квантового тумана.