Новая теория тёмной материи объяснила две загадки астрофизики

Обычная, реально существующая, материя поглощает, отражает и излучает свет. Но наука также бьется над вопросом тёмной материи. Считается, что тёмная материя — 85% всего вещества во Вселенной. Как и положено ей согласно названию, в ней нет света. Она не участвует в электромагнитном взаимодействии и недоступна для непосредственного наблюдения. Природа тёмной материи не изучена, потому что это лишь предполагаемая форма материи, с помощью которой пытаются нащупать истину во мраке неизвестности.


Этот своего рода «костыль» для рассуждений понадобился астрономам и теоретическим физикам, чтобы залатать дыру непознанного. А всё потому, что им надо было как-то решить проблему скрытой массы, причём вполне реальную: поведение планет, звёзд и других космически объектов отличается от расчётов на основании информации только лишь об этих объектах. Было ощущение, что во Вселенной есть нечто ещё, а поскольку оно невидимо, то назвали его тёмной материей.

Тёмную материю, если она всё-таки существует, невозможно увидеть непосредственно, что затрудняет её обнаружение. Теория под названием «самовоздействующая тёмная материя», или SIDM, предполагает, что частицы тёмной материи самовоздействуют благодаря тёмной силе, энергично сталкиваясь друг с другом близ центра галактики.

Разработали SIDM исследователи под руководством Хай-Бо Ю, профессора физики и астрономии Калифорнийского университета в Риверсайде. Теорию описали в издании The Astrophysical Journal Letters («Записки астрофизического журнала»). При этом учёные заявили, что SIDM одновременно может объяснить две загадки астрофизики с противоположных точек зрения.

Первая загадка — это гало (аура, нимб, ореол) из тёмной материи высокой плотности в массивной эллиптической галактике. Гало вычислили, наблюдая за сильным гравитационным линзированием, то есть отклонением света под влиянием массивных тел. Плотность вероятного гало должна быть невероятно высока в рамках господствующей теории холодной тёмной материи (CDM в международном обозначении).

Вторая загадка состоит в том, что гало тёмной материи в ультрадиффузных галактиках, то есть галактиках с очень низкой плотностью, также имеют чрезвычайно низкую плотность, и CDM тоже не даёт этому объяснений.

Гало тёмной материи — это невидимый ореол, пронизывающий и окружающий галактику или скопление галактик. Гравитационное линзирование случается, когда свет от далёких галактик, распространяясь по Вселенной, огибает массивные объекты. CDM рисует картину, в которой частицы тёмной материи не сталкиваются. Ультрадиффузные галактики, в свою очередь, отличаются крайне низкой светимостью, а звёзды и газ в них распределены неравномерно.

Доказывая, что SIDM может объяснить обе загадки астрофизики, коллектив учёных построил компьютерную симуляцию того, как формируется космическая структура при сильном самовоздействии тёмной материи. Строя модель, в расчёты закладывали соответствующие массы для гало с сильным линзированием и для ультрадиффузных галактик.

Соавтор исследования Итан Надлер — аспирант Обсерватории Карнеги и Университета Южной Калифорнии. Он объяснил, что самовоздействия приводят к переходу тепла в гало, что делает разнообразной плотность гало ближе к центрам галактик. Другими словами, у некоторых гало выше плотность в середине, а у других — более низкая плотность в центре в сравнении с их аналогами согласно теории CDM. Причём детали зависят от истории космической эволюции и окружающей среды отдельных гало.

По мнению авторов новой теории, эти две загадки представляют собой серьёзный вызов широко распространённой CDM, которая стремится отгадать их.

Ещё один соавтор — Даненг Янг, аспирант Калифорнийского университета. Он отметил, что у разработанной ими SIDM есть шанс примирить крайности в точках зрения. Тем более, других объяснений в научной литературе пока нет.