Ученые предложили новый взгляд на темную материю

В центре спиральных галактик — как близких к нам, так и удаленных на миллиарды световых лет — находится обширная сферическая область, состоящая из частиц темной материи. У этой области есть две определяющие характеристики: плотность, которая постоянна до определенного значения радиуса, и сам радиус, который удивительно увеличивается со временем, в то время как плотность уменьшается.

Это предполагает существование прямого взаимодействия между элементарными частицами, из которых состоит гало темной материи, и теми, из которых состоит обычное барионное вещество, — протонами, электронами, нейтронами и фотонами. Ученые ожидают, что эта гипотеза находится в прямом противоречии с преобладающей в настоящее время теорией, используемой для описания Вселенной, известной как лямбда-холодная темная материя, которая постулирует, что частицы холодной темной материи инертны и не взаимодействуют ни с какими другими частицами, а взаимодействуют только через гравитацию.

Об этих важных результатах сообщается в новом исследовании, опубликованном в журнале Astronomy and Astrophysics, в котором изучалось большое количество далеких галактик, находящихся на расстоянии около семи миллиардов световых лет.

Исследование позволило по-новому взглянуть на одну из величайших загадок современной физики. По словам авторов, новое исследование представляет собой шаг вперед в нашем понимании темной материи, неуловимого элемента в нашей Вселенной, который был теоретизирован на основе его доказуемого воздействия на небесные тела, но который еще предстоит доказать напрямую.

Изучение темной материи в далеких галактиках

Общая масса-энергия наблюдаемой Вселенной состоит из примерно 26,8 % темной материи.

«Ее преобладающее присутствие во всех галактиках связано с тем, что звезды и газообразный водород движутся так, как будто управляются невидимым элементом», — объясняют ученые. До сих пор попытки ее изучения были сосредоточены на галактиках, близких к нашей. «Однако в нашем исследовании, мы впервые стремились наблюдать и определять распределение массы спиральных галактик с той же морфологией, что и у ближайших, но намного дальше и, следовательно, раньше примерно на семь миллиардов лет».

Идея, по сути, состоит в том, что эти прародители спиральных галактик, подобных нашей, могли предложить фундаментальные ключи к разгадке природы частицы, лежащей в основе тайны темной материи. «Изучая движение звезд примерно в 300 далеких галактиках, мы обнаружили, что эти объекты также имеют ореол темной материи, и что, начиная с центра галактики, этот ореол фактически имеет область, плотность которой постоянна». Эта особенность уже наблюдалась в исследованиях по изучению близлежащих галактик.

Однако новое исследование показало, что в этой центральной области было нечто совершенно неожиданное в контексте так называемой «стандартной модели космологии».

Исследователи говорят, что «в результате контраста между свойствами близких и далеких спиральных галактик, то есть между сегодняшними галактиками и их предшественниками семь миллиардов лет назад, мы могли видеть, что существует не только необъяснимая область с постоянной плотностью темной материи, но также и то, что ее размеры со временем увеличиваются, как если бы она подвергалась процессу постоянного расширения и разбавления».

Это свидетельство очень трудно объяснить, если бы частицы темной материи не взаимодействовали, как это утверждается в модели Lambda-CDM. «В исследовании, которое мы недавно опубликовали, мы предлагаем доказательства прямого взаимодействия между темной материей и обычной материей, которая со временем медленно создает область постоянной плотности от центра галактики к краю». Но есть еще кое-что.

«Удивительно, но указанная выше область с постоянной плотностью со временем расширяется. Это очень медленный процесс, но он неумолим», — утверждают ученые.

Одно из возможных объяснений? «Самое простое состоит в том, что в начале, когда образовалась галактика, распределение темной материи в сферическом гало было таким, как предсказывала теория Лямбда-CDM, с пиком плотности в центре. Позже галактический диск, который характеризует спиральные галактики, окруженные ореолом чрезвычайно плотных частиц темной материи. Со временем эффект взаимодействия, который мы установили, означал, что частицы были захвачены звездами или выброшены во внешние пределы галактики».

Этот процесс создаст сферическую область постоянной плотности внутри гало темной материи, размеры которой пропорционально увеличиваются со временем и в конечном итоге достигают размеров галактического звездного диска, как утверждают ученые. «Результаты исследования ставят важные вопросы для альтернативных сценариев, описывающих частицы темной материи (кроме Lambda-CDM), таких как теплая темная материя, самодействующая темная материя и сверхлегкая темная материя».

Эти модели должны также учитывать четкую временную эволюцию, зарегистрированную в вышеупомянутой области. Свойства очень далеких галактик в пространстве и времени предлагают космологам подлинный путь к пониманию тайн темной материи.

Интересно отметить, «что, в соответствии с философией Ницше, истина этой тайны может быть раскрыта не путем детализации самого красивого сценария — того, который математически наиболее элегантен, прост и предвосхищен как расширение давно проверенных теорий, — а скорее по «уродливому» сценарию, определяемому неизящной и сложной наблюдательной феноменологией, из забытой физической теории, совершенно не связанной с той, что нам знакома», — говорит Паоло Салуччи, один из авторов работы.