Сверхлегкая темная материя и вихревые структуры
Космическая загадка темной материи, невидимой субстанции, составляющей значительную часть массы Вселенной, продолжает будоражить умы ученых. В поисках разгадки ее природы теоретики выдвигают самые разные гипотезы, от экзотических массивных частиц до призрачных волн, пронизывающих космос. Одним из наиболее интригующих кандидатов является сверхлегкая темная материя, которая в малых масштабах проявляет не частичные, а волновые свойства, подчиняясь законам квантовой механики. Именно в этой загадочной области, где квантовые эффекты сливаются с космологическими, и было сделано потенциально революционное открытие.
Исследователи Филипп Бракс и Патрик Валагес из Института теоретической физики углубились в изучение моделей такой сверхлегкой холодной темной материи, обладающей отталкивающими самовзаимодействиями. Динамика этой формы темной материи описывается нелинейным уравнением Гросса-Питаевского, которое хорошо известно в физике конденсированных сред и применяется для описания сверхтекучих жидкостей и конденсатов Бозе-Эйнштейна.
В рамках этой аналогии гало темной материи можно рассматривать как гигантскую космическую сверхтекучую жидкость. Авторы в своей работе, опубликованной в журнале Physical Review D, исследовали формирование и динамику особых структур внутри вращающегося гало такой материи — солитонов, представляющих собой стабильные ядра в гидростатическом равновесии, и вихрей, аналогичных квантовым водоворотам.
Как и в случае лабораторной сверхтекучей жидкости, ядро гало темной материи в безвихревом состоянии не может поддерживать общее вращение. Единственной возможностью для системы начать вращаться становится появление сингулярностей — квантованных вихрей. Комбинируя аналитические выводы с результатами численного моделирования, авторы продемонстрировали, что вращающиеся гало сверхлегкой темной материи действительно порождают такие вихри.
Эти вихри не возникают хаотично, а организуются в устойчивую вращающуюся сеть, пронизывающую центральное ядро гало. Их угловой момент является квантованным, а его величина напрямую зависит от массы гипотетической частицы темной материи. Под воздействием центробежных сил, создаваемых этой вихревой сетью, центральный солитон, изначально имеющий сферическую форму, приобретает отчетливо сплюснутую, осесимметричную конфигурацию.
Существование подобных вихревых структур в гало темной материи открывает новые, ранее не рассматривавшиеся пути для ее детектирования. Если такие вихри реальны, они должны оставлять специфические гравитационные следы, влияя на распределение звезд и газа внутри галактик. Анализ этих возмущений может стать косвенным, но мощным инструментом для подтверждения волновой природы темной материи.
Кроме того, представляет огромный интерес исследование потенциальной связи между этими вихревыми линиями в гало и крупномасштабной структурой Вселенной — нитями космической паутины. Таким образом, физические явления, которые сегодня изучаются в лабораториях на примере квантовых сверхтекучих систем, могут проявляться в грандиозных астрофизических масштабах, рисуя новую, динамичную картину невидимой основы нашего мироздания.