3.8K
На данный момент ученые не смогли непосредственно обнаружить темную материю, но в течение десятилетий они предлагали множество теорий о том, что именно (от новых частиц до примордиальных черных дыр) может выступать в ее роли и объяснять ее воздействие на обычную материю. В новой работе международная команда исследователей под руководством Вида Иршича из Вашингтонского университета (США), используя данные наблюдений за межгалактической средой, попыталась сузить рамки природы темной материи.
Выводы команды ставят под сомнение относительно новую теорию «нечеткой темной материи» и склоняют чашу весов в сторону другой модели – «холодной темной материи». Их результаты должны помочь в прямом обнаружении таинственной субстанции.
«На протяжении десятилетий теоретики пытались понять свойства частиц и силы, которые должны составлять темную материю. Мы ограничили диапазон поиска и частицы, составляющие «нечеткую темную материю», не вписываются в него», – рассказывает Вид Иршич.
Холодная темная материя
Холодная темная материя – это более ранняя из двух теорий, берущая свое начало в 1980-х годах, и в настоящее время она является стандартной моделью темной материи. Теория утверждает, что темная материя состоит из относительно массивных, слабовзаимодействующих, медленно движущихся частиц. Это помогает объяснить уникальную крупномасштабную структуру Вселенной, например, то, почему галактики склонны собираться в более крупные группы.
Но теория холодной темной материи имеет некоторые недостатки и несоответствия. Например, она предсказывает, что наш Млечный Путь должен иметь сотни спутниковых галактик. Вместо этого у нас есть лишь несколько десятков маленьких, близких соседей.
Нечеткая темная материя
Новая теория нечеткой темной материи устраняет недостатки предыдущей модели. Согласно ей, темная материя состоит из сверхлегких, а не массивных частиц, и имеет уникальную особенность, связанную с квантовой механикой. Для многих фундаментальных частиц во Вселенной перемещение на большие расстояния можно описать с помощью принципов «классической» физики Ньютона. Объяснение же мелкомасштабных движений, например, на субатомном уровне, требует сложных и часто противоречивых принципов квантовой механики. Но для сверхлегких частиц, предсказанных в теории нечеткой темной материи, перемещение на невероятно большие расстояние, например, от одного конца галактики до другого, также описывается квантовой механикой.
Межгалактическая среда
Учитывая эти две теории, Вид Иршич и его коллеги попытались выяснить свойства загадочной субстанции на основе относительно новых наблюдений межгалактической среды (IGM), которая состоит из темной материи, газообразного водорода и небольшого количества гелия. Водород в IGM поглощает свет, испускаемый далекими яркими объектами, и астрономы изучают это поглощение в течение десятилетий с помощью инструментов на Земле.
В новой работе команда, используя суперкомпьютер в Кембриджском университете (Великобритания), смоделировала межгалактическую среду и вычислила, какой тип частиц темной материи будет соответствовать наблюдениям. Исследователи обнаружили, что частица из теории нечеткой темной материи попросту слишком легкая, чтобы соответствовать картине поглощения водорода в IGM. И наоборот, более тяжелая частица, похожая на ту, что предсказывает традиционная теория холодной темной материи, согласуется с их симуляцией.
Выводы
«Масса частицы должна быть больше, чем предсказывает теория нечеткой темной материи. Сверхлегкая «нечеткая» частица по-прежнему может существовать, но она уже не объясняет, почему образуются галактические кластеры, и не отвечает на вопрос о недостатке спутниковых галактик вокруг Млечного Пути. Более тяжелая «холодная» частица согласуется с астрономическими наблюдениями и симуляциями IGM», – пояснил Вид Иршич.
Моделирование команды не учитывает все давние недостатки теории холодной темной материи, но исследователи считают, что дальнейшее изучение IGM может помочь разгадать тип частиц, из которых она состоит. Кроме того, некоторые ученые считают, что в теории холодной темной матери в принципе нет изъянов и пока они просто не могут полностью понять взаимодействие темной и нормальной материй.
«В любом случае, IGM остается основным полигоном для изучения темной материи», — заключил Вид Иршич.