Новые расчеты: темная материя может взаимодействовать сама с собой

В семи миллиардах световых лет от Земли находится скопление галактик, состоящее из двух сталкивающихся кластеров. Их общая масса превышает два квадриллиона масс Солнца. Из-за столь внушительных размеров скопление получило прозвище El Gordo («Толстяк» в переводе с испанского). Необычным его делает то, что он слишком огромен для той ранней эпохи, в которую существовал. Вопрос о том, как такое массивное сверхскопление могло сформироваться столь рано, поставил ученых в тупик.

Существование El Gordo настолько удивительно, что некоторые астрономы считают его разрушающим стандартную космологическую модель. В рамках общепринятых теорий крайне сложно объяснить, как холодная (совершенно ни с чем не взаимодействующая) темная материя в расширяющейся Вселенной смогла породить гигантское скопление за столь короткий срок. Новое исследование, опубликованное в журнале Astrophysical Journal, предлагает: разгадка может крыться в способности темной материи взаимодействовать с самой собой.

Темная материя составляет основную часть массы космоса. Она практически не взаимодействует со светом и обычным веществом, поскольку большинство привычных нам процессов имеют электромагнитную природу. Однако один из главных вопросов современной физики звучит так: могут ли частицы темной материи активно взаимодействовать друг с другом?

Наиболее популярная гипотеза гласит, что нет. Наблюдения показывают, что она преимущественно «холодная» — ее частицы обладают низкой кинетической энергией. Если бы они постоянно сталкивались между собой, то выделяли бы тепло, подобно нагревающемуся при трении обычному веществу. Самовзаимодействующая темная материя способна ускорить появление ранних сверхскоплений вроде El Gordo, но стандартные модели предсказывают, что в таком случае Вселенная была бы заполнена «теплой» темной материей.

Чтобы решить это противоречие, автор новой работы предложил модель двух состояний темной материи. Обычное вещество взаимодействует в основном через упругие столкновения — например, молекулы воздуха в комнате отскакивают друг от друга, почти не теряя энергии, что сохраняет стабильную температуру. Если бы столкновения были неупругими, комната мгновенно бы замерзла. Большинство прежних концепций «теплой темной материи» также опирались на упругие взаимодействия, но попытки подогнать их под параметры El Gordo давали неоднозначные результаты.

В новой работе ученый рассмотрел модель, где темная материя имеет основное и возбужденное состояния. В такой системе большинство столкновений остаются упругими. Однако при достижении определенного уровня энергии удар переводит частицу в возбужденное состояние, поглощая кинетическую энергию. В результате частицы темной материи могут одновременно и эффективно скучиваться, и охлаждаться.

Моделирование методом N тел (компьютерный расчет движения множества взаимодействующих объектов) показало, что двухкомпонентная модель «теплой темной материи», сочетающая упругие и неупругие столкновения, лучше всего описывает наблюдаемую структуру El Gordo. Она оказалась точнее, чем гипотезы с невзаимодействующей или исключительно упругой материей.

Тем не менее ученые сохраняют осторожность: точная масса «Толстяка» и скорость столкновения его частец все еще неточно измерены. Если масса кластера окажется на нижней границе оценок, предложенная модель не подтвердится. До тех пор, пока физики не обнаружат частицы темной материи напрямую, природа этого космического гиганта будет оставаться интригующей тайной.

Темная материя взаимодействует сама с собой — вывод ученых дает путь к новой физике

546 часов поиска темной материи в Млечном Пути не дали результата

Физики объяснили возможное открытие частицы темной материи

Подписывайтесь и читайте «Науку» в MAX