space

Темная материя «нечеткая», но не «холодная»

Астрономы использовали данные рентгеновской обсерватории NASA «Chandra» для изучения свойств таинственной темной материи. Исследование, в котором участвуют 13 скоплений галактик, оценило возможность того, что темная материя может быть скорее «нечеткой», чем «холодной», добавив сложности этой космической головоломке.

В течение нескольких десятилетий астрономы знают о темной материи. Хотя она не может наблюдаться непосредственно, темная материя взаимодействует через гравитацию с нормальным веществом (то есть чем-либо, состоящим из протонов, нейтронов и электронов, связанных в атомы). Используя это взаимодействие, астрономы изучили влияние темной материи с использованием различных методов, включая наблюдение за движением звезд в галактиках, перемещением галактик в скоплениях и распределением рентгеновского излучения. Темная материя также оставила отпечаток на радиации, оставшейся от Большого взрыва 13,8 миллиардов лет назад.

Однако, астрономы десятилетиями пытаются понять детали свойств темной материи. Другими словами, они хотели бы знать, как темная материя ведет себя во всех средах и, в конечном счете, из чего она состоит.

Наиболее популярная модель предполагает, что темная материя является холодной частицей, более массивной, чем протон, и движется со скоростью значительно меньше скорости света. Модель успешно объясняет структуру Вселенной в очень больших масштабах, но не может объяснить распределение материи в масштабах галактик.

В частности, модель холодной темной материи предсказывает, что плотность темной материи в центре галактик намного выше, чем в близких к центру областях. Поскольку нормальная материя притягивается к темной материи, она также должна иметь сильный пик плотности в центре галактик. Однако астрономы отмечают, что плотность как темной, так и нормальной материи в центре галактик намного более равномерно распределена. Другая проблема, связанная с моделью холодной темной материи, заключается в том, что она предсказывает гораздо большее число мелких галактик, вращающихся вокруг таких галактик, как Млечный Путь, чем существует на самом деле.

Для решения проблем модели холодной темной материи астрономы пришли к альтернативным моделям, в которых темная материя имеет совершенно разные свойства. Одна из таких моделей использует принцип, что каждая субатомная частица имеет связанную с ней волну. Если частица темной материи имеет чрезвычайно малую массу, примерно в десять тысяч триллионов триллионов раз меньше массы электрона, ее длина волны составит около 3000 световых лет. Расстояние от одного пика волны до другого составляет примерно одну восьмую дистанции между Землей и центром Млечного Пути. При этом длина радиоволны, самой длинной волны, составляет всего несколько миль в длину. Волны от разных частиц на этих больших масштабах могут накладываться друг на друга и мешать друг другу подобно волнам на глади озера.

Большая длина волны означает, что плотность темной материи в центре галактик не может быть сильно выражена. Поэтому для наблюдателя вне галактики эти частицы выглядели бы нечеткими, если бы их можно было непосредственно обнаружить. Эту модель называли «нечеткой темной материей». Поскольку нормальная материя притягивается к темной, она также будет распространяться в больших масштабах. Это естественно объясняет отсутствие сильного пика плотности вещества в центре галактик.

Эта простая модель успешно объясняла количество и расположение темной материи в малых галактиках. Для больших галактик нужна более сложная модель нечеткой темной материи. В ней высокие концентрации темной материи могут приводить к множественным квантовым состояниям (называемым «возбужденными состояниями»), в которых частицы темной материи могут иметь разное количество энергии, подобно атому с электронами на орбитах с более высокой энергией. Эти возбужденные состояния изменяются, как изменяется с расстоянием от центра скопления галактики плотность темной материи.

В новом исследовании группа ученых использовала наблюдения горячего газа в 13 скоплениях галактик, чтобы увидеть, применима ли модель нечеткой темной материи к более крупным масштабам. Они использовали данные «Chandra» для оценки как количества темной материи в каждом кластере, так и изменения плотности этого вещества с расстоянием от центра скопления галактик.

Как и в случае с исследованиями галактик, простейшая модель нечеткого темного вещества, в которой все частицы имеют наименьшую возможную энергию, не согласовывались с данными. Тем не менее, астрономы обнаружили, что модель, в которой частицы имеют разное количество энергии, соответствует данным исследования. Фактически, модель нечеткой темной материи соответствует наблюдениям 13 скоплений галактик даже лучше, чем модель, основанная на холодной темной материи.

Этот результат показывает, что модель нечеткой темной материи – жизнеспособная альтернатива холодной темной материи, но для ее проверки необходимы дальнейшие исследования. Важный эффект возбужденных состояний состоит в том, чтобы представлять колебания плотности темной материи как функцию расстояния от центра кластера.

Это создало бы рябь в плотности нормальной материи. Ожидаемая величина этих пульсаций меньше, чем текущие неопределенности в данных. Чтобы проверить это предсказание, требуется более детальное исследование.

Поделиться с друзьями: