Нова теорія темної матерії пояснює дві загадки в астрофізиці

Вважається, що темна матерія становить 85% матерії у Всесвіті, вона не світиться, і її природа недостатньо вивчена. Тоді як звичайна матерія поглинає, відбиває та випромінює світло, темну матерію неможливо побачити безпосередньо, що ускладнює її виявлення. Теорія під назвою «темна матерія, що самостійно взаємодіє», або SIDM, передбачає, що частинки темної матерії взаємодіють через темну силу, сильно стикаючись одна з одною поблизу центру галактики.

У роботі, опублікованій в The Astrophysical Journal Letters, дослідницька група під керівництвом Хай-Бо Ю, професора фізики та астрономії Каліфорнійського університету в Ріверсайді, повідомляє, що SIDM може одночасно пояснити дві астрофізичні головоломки в протилежних крайностях.

«Перший — це гало темної матерії високої щільності у масивній еліптичній галактиці», — сказав Ю. «Гало було виявлено за допомогою спостережень сильного гравітаційного лінзування, і його щільність настільки висока, що це вкрай малоймовірно в переважаючій теорії холодної темної матерії. По-друге, гало темної матерії ультрадифузних галактик мають надзвичайно низьку щільність і вони важко пояснити теорією холодної темної матерії».

Гало темної матерії — це гало невидимої матерії, яка пронизує та оточує галактику або скупчення галактик. Гравітаційне лінзування відбувається, коли світло, що подорожує через Всесвіт від далеких галактик, огинається навколо масивних об’єктів. Парадигма/теорія холодної темної матерії, або CDM, припускає, що частинки темної матерії не мають зіткнень. Як випливає з їх назви, ультрадифузні галактики мають надзвичайно низьку світність, а розподіл їхніх зірок і газу є розкиданим.

У дослідженні Ю приєднався Етан Надлер, спільний докторант Обсерваторій Карнегі та Університету Південної Каліфорнії, і Даненг Янг, докторант UCR.

Щоб показати, що SIDM може пояснити дві астрофізичні головоломки, команда провела перше моделювання формування космічної структури з високою роздільною здатністю з сильною самовзаємодією темної матерії у відповідних масштабах маси для сильного лінзового гало та ультрадифузних галактик.

«Ці самовзаємодії призводять до передачі тепла в гало, що урізноманітнює щільність гало в центральних областях галактик», — сказав Надлер. «Іншими словами, деякі ореоли мають більш високу центральну щільність, а інші мають нижчу центральну щільність порівняно з їхніми аналогами CDM, деталі залежать від історії космічної еволюції та середовища окремих гало».

За словами команди, дві головоломки створюють величезний виклик стандартній парадигмі CDM.

«CDM стоїть завдання пояснити ці головоломки», — сказав Ян. «Можливо, SIDM є переконливим кандидатом для примирення двох протилежних крайнощів. У літературі немає інших пояснень. Тепер існує інтригуюча можливість того, що темна матерія може бути більш складною та яскравою, ніж ми очікували».

Дослідження також демонструє потужність зондування темної матерії за допомогою астрофізичних спостережень за допомогою інструменту комп’ютерного моделювання формування космічної структури.

«Ми сподіваємося, що наша робота заохочує більше досліджень у цій багатообіцяючій галузі досліджень», — сказав Ю. «Це буде особливо своєчасна подія, враховуючи очікуваний приплив даних у найближчому майбутньому з астрономічних обсерваторій, включаючи космічний телескоп Джеймса Вебба та майбутню обсерваторію Рубіна».

Приблизно з 2009 року робота Ю та його співробітників допомогла популяризувати SIDM у спільнотах фізиків елементарних частинок і астрофізиків.