Новости

03-10-2016

Темная материя может быть сложнее, чем считалось ранее

Джеймс Баллок (James Bullock) из Калифорнийского университета в Ирвайне (США) полагает, что темная материя может быть устроена гораздо сложнее, чем основной массе физиков казалось ранее.

Темная материя и энергия, из которых на 80% сложена окружающая нас реальность, уже довольно давно вошла в число базовых понятий современной науки. Астрономы видят, что внешние части галактических дисков вращаются быстрее, чем должны исходя из того количества газа звезд, которое мы наблюдаем. И из этого неизбежно вытекает существование темной материи (ТМ), чья гравитация разгоняет края дисков. В астрономии поиск тех или иных невидимых объектов на основании их гравитационного воздействия известен довольно давно – именно так были открыты планеты Нептун и Плутон.

Несмотря на общепризнанный факт существования ТМ, попытки построить теоретическую модель того, как именно она устроена, до сих пор остаются непростым делом. Одна группа теорий полагает, что частицы темной материи взаимодействуют между собой лишь гравитационно, то есть весьма слабо – так же, как они взаимодействуют с частицами материи обычной. В этом случае частицы ТМ являются вимпами (от английского WIMP, ''слабо взаимодействующие частицы'').

На это вроде бы указывают и наблюдения за скоплениями галактик: когда они сталкиваются между собой, наибольшая концентрация ТМ отмечается в центрах таких скоплений. Если бы между вимпами были возможны сильные взаимодействия (вроде ядерных реакций, наблюдаемых в центре звезд из обычной материи), часть ТМ при столкновении галактических скоплений неизбежно получала бы слишком большую энергию – и выбрасывалась из центра скоплений на периферию. Раз этого нет, полагают теоретики, значит, нет и сильного взаимодействия между вимпами.

Джеймс Баллок тем не менее полагает, что не все так просто. Любая модель распределения вимпов в пространстве имеет большой недостаток: если частицы темной материи взаимодействуют только гравитационно, то они должны скапливаться там, где гравитация сильнее всего. То есть в окрестностях сверхмассивных черных дыр, существующих в центрах галактик, включая нашу собственную. Именно там образуется основная масса новых звезд, и там плотнее всего обычная материя.

Однако реальные наблюдения не обнаруживают такой ''централизации''. Более того, внутри диска Млечного Пути темной материи примерно столько же, сколько и обычной, хотя за его пределами (в галактическом гало) ее намного больше обычной. То есть ТМ избегает не только центров галактик, но и самих галактик, оставаясь на их периферии.

Группа Баллока попробовала узнать, что может быть причиной такого странного поведения частиц темной материи. Для этого была построена модель, в которой такие частицы могут участвовать в сильных взаимодействиях (типа сильного ядерного). Затем они дали ТМ внутри смоделированной стандартной галактики виртуально ''эволюционировать'' десятки миллионов лет. Как выяснилось, при этом часть частиц после столкновения с другими ТМ-частицами получала дополнительную энергию, которая позволяла им набирать значительную скорость и покидать центры галактик. По расчетам, такой механизм дал моделируемой галактике именно то снижение концентрации ТМ в галактическом ядре, которое астрономы и наблюдают сегодня на практике в реальных галактиках.

Но как быть с тем, что данные по динамике ТМ во время столкновений групп галактик не укладываются в картину, рисуемую Баллоком? Он полагает, что те нормы сильного ТМ-взаимодействия, которые астрономы ранее закладывали в модели столкновений галактических скоплений, исходили из известной нам обычной матери. В то время как для темной материи те или иные разновидности сильных взаимодействий могут давать совсем другое увеличение энергии частиц. Возможно, энергии, получаемой от взаимных столкновений, и достаточно, чтобы покинуть центр галактики, но слишком мало, чтобы уйти из центра галактического скопления – ведь оно по размерам на много порядков превышает типичную галактику.

Из концепции Баллока следует, что ТМ устроена вовсе не так, как физики считали ранее. Наличие сильных взаимодействий между ее частицами может означать, что они являются не морем рассеянных однородных вимпов, а чем-то вроде частиц обычной материи, которую мы просто не видим. В этом случае могут существовать и темные атомы, и темные фотоны и, быть может, даже аналоги обычных звезд, состоящие из одной только темной материи. В настоящее время группа Баллока планирует проверить, так это или нет, изучая карликовые галактики, где обычной материи в сотни раз меньше, чем темной, и где исследовать последнюю легче всего.

Она составляет четверть Вселенной. Без нее галактики развалились бы, а звезды улетели бы в пустое пространство. Темной материи в пять раз больше,...
Астрономы из Колумбийского университета (Нью-Йорк, США) прогнозируют скорое, по космическим меркам, слияние двух черных дыр, расположенных в...
Астрономы во главе с Роберто Майолино из Кембриджского университета смогли рассмотреть, как 13 миллиардов лет назад формировались первые галактики...