Темная материя остается одной из главных нерешенных проблем современной астрофизики. Ученые уверены, что она существует, поскольку без нее невозможно объяснить движение галактик, формирование крупных космических структур и многие эффекты гравитации. Однако за десятилетия исследований никто так и не смог напрямую обнаружить частицы темной материи.
Теперь группа исследователей во главе с физиком Хай-Бо Ю из Калифорнийского университета в Риверсайде предложила новую модель, которая потенциально способна объяснить сразу три различных космических явления. Работа посвящена так называемой самовзаимодействующей темной материи — Self-Interacting Dark Matter, или SIDM. Результаты исследования были опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Что такое темная материя
Согласно современным оценкам, обычное вещество — звезды, планеты, газ, пыль и все видимое — составляет лишь около 5% содержимого Вселенной. Еще примерно 27% приходится на темную материю, а остальное занимает темная энергия.
Темная материя не испускает свет и практически не взаимодействует с обычным веществом. Ее существование определяется только по гравитационному влиянию. Например, галактики вращаются слишком быстро для той массы, которую можно увидеть в телескопы. Без дополнительной невидимой массы многие из них просто распались бы.
Наиболее распространенная космологическая модель — ΛCDM — предполагает существование «холодной» темной материи. В этой модели частицы темной материи почти не взаимодействуют друг с другом и свободно проходят одна сквозь другую. Именно этот подход долгое время считался основным в космологии.
В чем проблема стандартной модели
Несмотря на успехи ΛCDM в описании крупномасштабной структуры Вселенной, у модели остаются трудности на меньших масштабах. Наблюдения показывают существование плотных и компактных объектов, которые сложно объяснить обычной «бесстолкновительной» темной материей.
Команда Хай-Бо Ю предлагает альтернативу: частицы темной материи могут взаимодействовать между собой. В отличие от стандартной модели, SIDM предполагает столкновения и обмен энергией между частицами.
Сам исследователь сравнивает разницу между моделями с толпой людей. В одном случае люди полностью игнорируют друг друга, а в другом — постоянно сталкиваются. Именно такие столкновения, по мнению ученых, могут менять внутреннюю структуру темной материи.
Гравотермический коллапс
Ключевым элементом новой теории стал механизм, называемый гравотермическим коллапсом.
Согласно модели, самовзаимодействия постепенно заставляют темную материю концентрироваться в чрезвычайно плотные ядра. Эти компактные области могут иметь массу примерно в миллион раз больше массы Солнца. При этом они остаются невидимыми, поскольку состоят исключительно из темной материи.
Именно такие плотные сгустки, по мнению авторов исследования, способны объяснить сразу три независимых астрономических загадки.
Первая загадка — необычная гравитационная линза JVAS B1938+666
Одним из ключевых объектов исследования стала система гравитационного линзирования JVAS B1938+666.
Она состоит из массивной галактики на переднем плане и далекой фоновой галактики. Гравитация переднего объекта искривляет свет удаленной галактики, образуя так называемое кольцо Эйнштейна. Однако наблюдения показывают наличие чрезвычайно плотного объекта внутри этой системы, который трудно объяснить стандартной моделью темной материи.
Согласно новой гипотезе, причиной может быть компактный сгусток SIDM. Его масса и плотность способны создать наблюдаемые гравитационные эффекты без необходимости вводить неизвестные типы обычного вещества.
Вторая загадка — странные разрывы в звездном потоке GD-1
Вторым объектом исследования стал звездный поток GD-1.
Это длинная цепочка древних звезд, движущихся через Млечный Путь. Астрономы обнаружили в потоке необычные разрывы и ответвления, словно через него прошел невидимый массивный объект.
Ранее ученые предполагали, что причиной могли быть карликовые галактики или невидимые темные субгало. Однако новая работа показывает, что плотные сгустки самовзаимодействующей темной материи также способны создавать подобные нарушения структуры.
Если модель верна, то это означает, что темная материя может формировать компактные объекты, влияющие на движение звезд внутри нашей галактики.
Третья загадка — необычное звездное скопление Fornax 6
Третьим примером стало шаровое скопление Fornax 6 в карликовой галактике Fornax, которая является спутником Млечного Пути.
Это скопление отличается от других объектов своей галактики. Оно содержит больше тяжелых элементов и, вероятно, моложе остальных примерно на два миллиарда лет. Кроме того, сама карликовая галактика содержит слишком много шаровых скоплений для своего размера.
Авторы исследования считают, что плотный сгусток SIDM мог действовать как своеобразная гравитационная ловушка, собирая проходящие звезды в компактную структуру.
Почему эта работа привлекла внимание астрофизиков
Главная особенность новой модели заключается в том, что один и тот же механизм объясняет явления совершенно разных масштабов:
- далекую гравитационную линзу;
- структуру звездного потока внутри Млечного Пути;
- свойства карликовой спутниковой галактики.
По словам Хай-Бо Ю, именно универсальность объяснения делает теорию особенно интересной.
В современной астрофизике нередко возникают модели, способные объяснить отдельные аномалии, но гораздо реже встречаются гипотезы, объединяющие несколько независимых наблюдений.
Теория пока не доказана
Несмотря на интерес к работе, речь пока идет только о теоретической модели. Прямых доказательств существования самовзаимодействующей темной материи нет.
Более того, любые альтернативные модели должны согласовываться с огромным объемом наблюдений, которые уже успешно объясняет стандартная ΛCDM-космология. Например, известное столкновение галактических скоплений Bullet Cluster долгое время считалось аргументом в пользу того, что темная материя почти не взаимодействует сама с собой.
Поэтому новая теория должна пройти дополнительные проверки с помощью наблюдений и компьютерного моделирования.
Почему поиски темной материи продолжаются
Интерес к альтернативным моделям темной материи в последние годы только растет. Астрофизики сталкиваются с растущим числом наблюдений, которые сложно полностью объяснить существующими теориями.
Сейчас исследуются сразу несколько направлений:
- взаимодействие темной материи с нейтрино;
- «темные звезды» ранней Вселенной;
- компактные облака темной материи;
- эволюционирующая темная материя;
- скрытые темные субструктуры внутри галактик.
Появление новых телескопов, включая космический телескоп Джеймса Уэбба, позволяет получать данные, которые еще несколько лет назад были недоступны. Это приводит к обнаружению новых космических аномалий и одновременно дает ученым шанс приблизиться к пониманию природы темной материи.
Что это может означать для космологии
Если теория SIDM подтвердится, это станет одним из крупнейших изменений в космологии за последние десятилетия.
В таком случае темная материя окажется не пассивным «гравитационным фоном», а сложной физической средой со своей внутренней динамикой. Это повлияет на модели формирования галактик, распределения вещества во Вселенной и эволюции космических структур.
Пока же темная материя остается одной из самых загадочных составляющих космоса. И каждая новая гипотеза показывает, насколько мало человечество все еще знает о большей части материи во Вселенной.
Источники:
Статья создана по материалам UniverseToday.com
