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, постоянная до определенного радиуса, которая удивительно расширяется 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 вещество, — протонами, электронами, нейтронами и фотонами. Мы ожидаем, 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, кроме гравитационного.
Об этих важных результатах сообщается в новом исследовании, недавно опубликованном в журнале Astronomy and Astrophysics, в котором изучалось большое количество далеких галактик, находящихся на расстоянии около семи миллиардов световых лет. Исследование, проведенное Гаури Шармой и Паоло Салуччи из SISSA вместе с Гленом Ван де Веном из Венского университета, позволило по-новому взглянуть на одну из величайших загадок современной физики. По словам авторов, это 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. И это несмотря на любое количество целевых астрофизических наблюдений и экспериментов, поставленных для этой цели в специальных подземных лабораториях.
Изучение темной материи в далеких галактиках
Темная материя составляет примерно 84% массы космоса: «Ее преобладающее присутствие во всех галактиках связано с тем, что звезды и газообразный водород движутся так, как будто управляются невидимым элементом», — объясняет Гаури Шарма. До сих пор попытки ее изучения были сосредоточены на галактиках, близких к нашей: «Однако в этом исследовании, — объясняет она, — мы впервые стремились наблюдать и определять распределение массы спиральных галактик с та же морфология, 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 дать фундаментальные ключи к разгадке природы частицы, лежащей в основе тайны темная материя.» Паоло Салуччи добавляет, что «область , в которой его плотность постоянна.» Эта черта уже наблюдалась в исследованиях, изучающих близлежащие галактики, некоторые из которых также были работой SISSA.
Однако новое исследование показало, что в этой центральной области было нечто совершенно неожиданное в контексте так называемой «стандартной модели космологии». Шарма говорит, что «в результате контраста между свойствами близких и далеких спиральных галактик, то есть между сегодняшними галактиками и их предшественниками, жившими семь миллиардов лет назад, мы смогли увидеть, что существует не только необъяснимая область с постоянной плотностью темной материи, но также и то, что ее размеры со временем увеличиваются, как если бы они подвергались 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, — говорит Шарма, —обычная материя , которая со временем медленно создает область постоянной плотности от центра галактики наружу».
Медленный, но неумолимый процесс
«Удивительно, но указанная выше область с постоянной плотностью со временем расширяется. Это очень медленный процесс, но он неумолим», — утверждает Салуччи. 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, с размерами, которые пропорционально увеличиваются со временем и, наконец, достигают размеров галактического звездного диска, как описано в статье в Astronomy and Astrophysics . «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», — говорит Шарма.
«Эти модели также должны 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 прекрасного 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 Салуччи.
