Новая теория темной материи может объяснить сразу три загадки Вселенной

Физики предложили новую модель темной материи, которая потенциально способна объяснить сразу несколько астрономических аномалий, остававшихся загадкой для науки многие годы. Речь идет о так называемой самовзаимодействующей темной материи — форме темной материи, частицы которой могут взаимодействовать друг с другом, а не только через гравитацию.

Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters. Его возглавил физик Hai-Bo Yu из Университета Калифорнии в Риверсайде. Работа предлагает единое объяснение трех совершенно разных космических явлений, которые плохо вписываются в стандартную модель холодной темной материи.

Если теория подтвердится, она может серьезно изменить современные представления о структуре Вселенной и поведении темной материи.

Что такое темная материя

Темная материя — одна из главных загадок современной физики.

По современным оценкам, обычное вещество — звезды, планеты, газ, пыль и все видимые объекты — составляет лишь около 15% всей материи Вселенной. Остальное приходится на темную материю.

Ученые никогда не наблюдали темную материю напрямую, поскольку она:

• не испускает свет;
• не отражает электромагнитное излучение;
• почти не взаимодействует с обычным веществом.

Однако ее существование проявляется через гравитацию.

Без темной материи невозможно объяснить:

• скорость вращения галактик;
• формирование крупных космических структур;
• движение галактических скоплений;
• эффекты гравитационного линзирования.

Современная космология предполагает, что темная материя создает невидимый «каркас» Вселенной, вокруг которого формируются галактики.

Стандартная модель темной материи сталкивается с проблемами

На протяжении десятилетий основной моделью считалась теория холодной темной материи — Cold Dark Matter, или CDM.

Согласно этой модели:

• частицы темной материи массивны;
• движутся относительно медленно;
• практически не взаимодействуют друг с другом;
• влияют на окружающий мир почти исключительно через гравитацию.

Эта теория хорошо объясняет крупномасштабную структуру Вселенной.

Однако на меньших масштабах — внутри галактик и звездных систем — начали появляться странности, которые модель CDM объясняет плохо.

Именно здесь новая теория предлагает альтернативу.

В чем заключается новая идея

Исследователи предлагают модель SIDM — Self-Interacting Dark Matter, то есть самовзаимодействующей темной материи.

Главное отличие от классической модели заключается в том, что частицы темной материи могут сталкиваться друг с другом и обмениваться энергией.

Это приводит к совершенно иной динамике поведения темной материи внутри галактик.

В определенных условиях самовзаимодействующая темная материя способна:

• образовывать плотные ядра;
• концентрироваться в компактные структуры;
• испытывать так называемый гравотермический коллапс.

Именно этот механизм, по мнению авторов работы, способен объяснить три загадочных космических объекта.

Первая загадка — необычная гравитационная линза

Первый объект связан с системой JVAS B1938+666.

Это гравитационная линза — эффект, при котором массивный объект искривляет свет более далеких галактик в соответствии с общей теорией относительности Albert Einstein.

Однако в данной системе астрономы обнаружили странное сверхплотное скопление массы, которое невозможно объяснить видимым веществом.

Обычная модель холодной темной материи предсказывает более «размазанное» распределение массы. Но наблюдения показывают компактный объект массой около миллиона Солнц.

Модель SIDM объясняет это тем, что темная материя внутри структуры могла коллапсировать в чрезвычайно плотное ядро.

Вторая загадка — «шрам» в звездном потоке GD-1

Вторая аномалия связана с так называемым звездным потоком GD-1.

Это длинная цепочка звезд, оставшаяся после разрушения древнего звездного скопления в Млечном Пути.

В какой-то момент астрономы заметили в этом потоке странный разрыв — область, словно «выбитую» неизвестным массивным объектом.

Проблема в том, что рядом нет никаких видимых объектов, способных вызвать такое возмущение.

Одна из гипотез предполагает, что через поток прошел плотный сгусток темной материи.

Но стандартная модель CDM плохо объясняет существование настолько компактных невидимых структур.

В модели SIDM это возможно благодаря гравотермическому сжатию темной материи.

Третья загадка — странное звездное скопление Fornax 6

Третья проблема связана с объектом Fornax 6 — необычным звездным скоплением в карликовой галактике Fornax, спутнике Млечного Пути.

Согласно стандартным моделям, такое рыхлое скопление должно было быть разрушено гравитацией окружающей галактики еще миллиарды лет назад. Однако оно продолжает существовать.

Авторы новой работы предполагают, что внутри галактики существует плотное «ядро» темной материи, которое действует как гравитационная ловушка и стабилизирует скопление.

Самовзаимодействующая темная материя способна формировать подобные структуры естественным образом.

Что такое гравотермический коллапс

Центральным элементом новой теории стал механизм gravothermal collapse — гравотермического коллапса.

Процесс напоминает эволюцию звездных скоплений.

Когда частицы темной материи взаимодействуют друг с другом, они постепенно перераспределяют энергию:

• внешние области расширяются;
• центральная часть становится плотнее;
• ядро начинает быстро сжиматься.

В итоге возникает сверхкомпактная структура из темной материи.

Подобные объекты могут быть практически невидимыми, но при этом обладать огромной массой.

Почему это важно для космологии

Главная ценность новой модели заключается в том, что она пытается объяснить сразу несколько разных аномалий одним физическим механизмом.

Авторы исследования подчеркивают, что все три загадки возникают в совершенно разных условиях:

• на межгалактических масштабах;
• внутри Млечного Пути;
• в карликовой галактике-спутнике.

Если одна теория действительно работает во всех этих случаях, это значительно повышает ее научную ценность.

Темная материя остается крупнейшей проблемой современной физики

Несмотря на огромный объем косвенных доказательств, ученые до сих пор не знают, из чего состоит темная материя.

За десятилетия были предложены десятки кандидатов:

• WIMP-частицы;
• аксионы;
• стерильные нейтрино;
• сверхлегкие бозоны;
• первичные черные дыры.

Однако прямых подтверждений пока нет.

Многие эксперименты по поиску темной материи не обнаружили ожидаемых частиц.

Из-за этого часть физиков начала рассматривать альтернативные объяснения — например, модифицированные теории гравитации.

Некоторые ученые вообще сомневаются в существовании темной материи

Хотя модель темной материи доминирует в современной космологии, существуют альтернативные теории.

Например, некоторые исследователи предполагают, что проблема связана не с невидимым веществом, а с тем, что гравитация на огромных расстояниях работает иначе, чем предсказывает классическая физика.

Подобные модели пытаются объяснить:

• вращение галактик;
• линзирование;
• космические структуры без введения темной материи.

Однако пока ни одна из альтернатив не смогла полностью заменить стандартную космологическую модель.

Почему самовзаимодействующая темная материя выглядит перспективной

Модель SIDM интересна тем, что она сохраняет основную идею существования темной материи, но меняет ее свойства.

Это позволяет:

• сохранить успешные объяснения крупномасштабной структуры Вселенной;
• одновременно устранить часть проблем на малых масштабах.

Подобный подход считается более консервативным, чем полный отказ от темной материи.

Кроме того, идея взаимодействий между частицами темной материи обсуждается уже много лет. Еще в 2015 году наблюдения столкновений галактик показали возможные признаки того, что темная материя может взаимодействовать сама с собой.

Проверить теорию будет сложно

Главная проблема заключается в том, что темная материя практически невидима.

Поэтому ученые вынуждены искать косвенные признаки:

• движение звезд;
• эффекты линзирования;
• распределение галактик;
• динамику звездных потоков.

В будущем помочь могут:

• сверхточные обзоры неба;
• телескоп Nancy Grace Roman Space Telescope;
• обсерватория Vera C. Rubin Observatory;
• новые данные James Webb Space Telescope.

Они позволят изучать распределение темной материи намного точнее.

Современная космология входит в период кризиса

На фоне новых наблюдений ученые все чаще говорят о том, что стандартная модель космологии сталкивается с растущим количеством противоречий.

Среди крупнейших проблем:

• природа темной материи;
• природа темной энергии;
• напряжение Хаббла;
• сверхранние массивные галактики;
• неожиданно крупные черные дыры в молодой Вселенной.

Телескоп James Webb особенно усилил этот кризис, обнаружив сложные галактики и сверхмассивные черные дыры в эпоху, когда Вселенная была очень молодой.

Некоторые новые теории уже пытаются связать несколько космологических проблем одновременно.

Возможно, темная материя гораздо сложнее, чем считалось

Новая работа усиливает идею о том, что темная материя может быть не единым простым веществом, а сложной «темной физикой» со своими взаимодействиями и процессами.

Некоторые современные модели предполагают:

• существование нескольких типов темной материи;
• наличие «темных сил»;
• взаимодействия с нейтрино;
• образование темных звезд и темных структур.

Если это действительно так, то современная физика может находиться лишь в начале понимания скрытой части Вселенной.

И чем больше астрономы изучают космос с помощью новых телескопов и симуляций, тем очевиднее становится, что темная материя может быть намного сложнее и разнообразнее, чем предполагали модели последних десятилетий.

Источники:
Статья создана по материалам Space.com