Темная материя оказалась легче и теплее, чем считалось ранее

Несмотря на то, что темная материя составляет около 85 процентов всей материи во вселенной, ее очень сложно определить. Чтобы выяснить, что это такое, большая часть поиска посвящена исключению того, что не является темной материей, и теперь физики из Стэнфорда и лаборатории SLAC сузили границы еще больше.

Используя наблюдения галактик, вращающихся вокруг Млечного Пути, команда ученых обнаружила, что темная материя, вероятно, легче, чем считалось ранее, и взаимодействует с нормальной материей еще меньше.

Темная материя называется так потому, что она не излучает и не реагирует на свет каким-либо образом и редко взаимодействует с обычной материей, что делает ее почти невидимой для нас. Единственный способ узнать что-либо — это ее гравитационное воздействие на то, что мы видим.

Что такое темная материя на самом деле и каковы ее свойства, остается открытым для обсуждения, но ученые разработали несколько моделей.

Одна из наиболее распространенных моделей известна как модель лямбда холодной темной материи (Lambda CDM), и она предполагает несколько вещей о ней: «холодная» означает, что она движется гораздо медленнее, чем скорость света, и кроме того, она очень редко взаимодействует с обычной материей.

Лямбда-CDM модель также говорит нам, что темная материя сыграла жизненно важную роль в формировании вселенной, какой мы ее знаем. В первые «дни» возникновения вселенной, темная материя имела тенденцию собираться вместе в «гало». В конечном счете гравитация притягивала регулярную материю к этим блокам, в результате чего галактики образовывали структуры, похожие на гигантские сверкающие паутины.

Хотя эта модель хорошо работает для объяснения таких крупномасштабных структур, она имеет тенденцию распадаться при применении к меньшим масштабам, таким как отдельные галактики. Например, модель предсказывает, что вокруг нашего собственного Млечного Пути должны вращаться тысячи меньших галактик-спутников, но на данный момент обнаружены только 59.

Ученые в новом исследовании использовали это в качестве отправной точки для настройки модели. Они запустили моделирование того, как выглядит вселенная, когда она заполнена темной материей с различными свойствами, а затем наложили полученные гало темной материи на известную структуру галактик-спутников Млечного пути, чтобы увидеть, насколько хорошо все подходит.

Они обнаружили, что для того, чтобы все было аккуратно совмещено, темная материя должна иметь меньшую массу и должна быть «более теплой» (то есть двигаться немного быстрее), чем предполагалось ранее. Похоже, что она реже взаимодействует с обычным веществом — примерно в тысячу раз слабее, чем предыдущий предел. Это может объяснить, почему ни один из многочисленных экспериментов, предназначенных для обнаружения таких взаимодействий, еще не зарегистрировал никаких сигналов.

«Что действительно интересно, так это то, что наше исследование прекрасно увязывает экспериментальные наблюдения слабых галактик сегодня с теориями темной материи и ее поведения в ранней Вселенной», — говорит Этан Надлер, ведущий автор исследования. «Хотя мы до сих пор не знаем, из чего состоит темная материя, наши результаты — это шаг вперед, который устанавливает более жесткие ограничения на то, чем на самом деле может быть темная материя.»

Конечно, дискуссия о темной материи далека от завершения. Другие исследования предполагают, что таинственный материя может находиться в нечетких и возбужденных состояниях, состоящих из электрически заряженных частиц, собираться в «волоски» вокруг планет или существовать как некая «темная жидкость» с отрицательной массой.

Исследование было опубликовано в Astrophysical Journal Letters.

Моделируемое развитие темной материи можно увидеть на видео ниже.