Самая неожиданная и странная гипотеза о темной материи нашла первое подтверждение
Вселенная полна загадок, и одна из самых интригующих — это природа темной материи. Это гипотетическое вещество, невидимое для наших телескопов, поскольку оно не испускает, не поглощает и не отражает свет, составляет, по оценкам, около 85% всей материи во Вселенной. Ее существование предполагается на основе гравитационных эффектов, которые она оказывает на видимую материю — звезды и галактики.
Стандартная космологическая модель, известная как модель Холодной Темной Материи (CDM), успешно объясняет многие крупномасштабные структуры Вселенной, но на меньших, галактических масштабах, она сталкивается с определенными трудностями. Недавние наблюдения за поведением самых маленьких галактик во Вселенной могут заставить нас пересмотреть наши представления об этой неуловимой субстанции.
Карликовые галактики, содержащие от нескольких тысяч до нескольких миллиардов звезд, являются самыми многочисленными типами галактик во Вселенной. Они считаются остатками строительных блоков более крупных галактик и представляют собой уникальные лаборатории для изучения влияния темной материи на формирование и эволюцию галактик. Согласно модели CDM, каждая галактика, включая карликовые, находится внутри гало темной материи. Эти гало сформировались на ранних этапах существования Вселенной и определили места, где могли образовываться галактики.
Загадочные гало
Однако не все гало темной материи одинаковы. Существует явление, известное как «смещение гало» (halo bias), которое описывает тот факт, что некоторые гало с большей вероятностью находятся в более плотных областях Вселенной, чем другие.
Существует два типа смещения гало: «массовое смещение», согласно которому массивные гало группируются сильнее, и «смещение по времени сборки» (assembly bias), которое гласит, что среди гало одинаковой массы те, которые имеют разные свойства гало (например, время формирования), демонстрируют разную степень скученности. Например, гало, сформировавшиеся раньше (старые гало), группируются сильнее, чем те, что сформировались позже (молодые гало).
Исторически для обнаружения смещения по времени сборки гало основное внимание уделялось массивным галактикам из-за их большей светимости и лучшей наблюдаемости. Карликовые галактики часто оставались в тени этих исследований. Однако новое исследование китайских ученых проливает свет на этот вопрос, используя именно эти маленькие звездные системы.
Исследовательская группа под руководством профессора Хуэйюаня Вана из Университета науки и технологий Китая (USTC) впервые выявила исключительно сильную картину скученности у диффузных карликовых галактик. Анализируя выборку изолированных карликовых галактик из Слоановского цифрового небесного обзора (SDSS), команда обнаружила, что диффузные карликовые галактики, звезды в которых расположены дальше друг от друга, демонстрируют неожиданно сильное крупномасштабное скучивание по сравнению с компактными карликовыми галактиками, звезды в которых расположены ближе. Этот неожиданный результат коренным образом противоречит устоявшемуся пониманию скучивания галактик, полученному из исследований массивных галактик.
Противоречие теорий
Используя собственное космологическое моделирование ELUCID (Exploring the Local Universe with reConstructed Initial Density field), исследователи обнаружили, что это «инвертированное» явление неразрывно связано со временем формирования гало. В частности, пространственное распределение диффузных карликовых галактик тесно совпадало со старыми гало, в то время как компактные карликовые галактики следовали закономерностям, схожим с молодыми гало.
Это представляет собой первое высокодостоверное наблюдательное доказательство смещения по времени сборки гало, основанное на реальных данных, что устраняет разрыв между космологическими симуляциями и эмпирической проверкой. Однако существующие модели формирования галактик в рамках стандартной парадигмы CDM не могут объяснить формирование диффузных карликовых галактик в старых гало.
Это несоответствие указывает на потенциальные противоречия между текущими моделями формирования галактик, моделями темной материи и реальной Вселенной. Чтобы преодолеть это противоречие, исследователи предложили модель самовзаимодействующей темной материи (SIDM). Эта модель предполагает, что частицы темной материи взаимодействуют не только посредством гравитации, но и посредством слабых негравитационных взаимодействий.
Данные взаимодействия вызывают структурное расширение и ослабляют центральную гравитационную силу в старых гало, тем самым способствуя формированию диффузных карликовых галактик. Напротив, молодые гало демонстрируют более слабые эффекты подобного рода, что благоприятствует формированию компактных карликовых галактик. Эта теория хорошо объясняет наблюдаемую корреляцию между возрастом гало и плотностью галактик, предполагая, что природа темной материи может быть более сложной, чем считалось ранее.
Рецензенты из журнала Nature высоко оценили эту работу: «Это оригинальный и очень удивительный результат. Проверка предсказаний самовзаимодействий темной материи через скучивание галактик — это новый подход, который может оказать долгосрочное влияние на всю космологию». Это исследование представляет собой первое наблюдательное подтверждение значительного смещения по времени сборки гало — прорыв, который определяет критические параметры для моделирования природы темной материи, эволюции крупномасштабных структур космоса и механизмов, управляющих формированием и эволюцией галактик.
Оно выявляет уникальную корреляцию между структурами барионных компонентов и возрастом их родительских гало в карликовых галактиках, коренным образом бросая вызов стандартной парадигме CDM. Это значит, что космологам, по мере накопления данных, скорее всего, придется переписать многие существующие теории темной материи.
