Спотворена галактика натякає на природу темної матерії

Міжнародна група астрофізиків надала найбільш прямі докази того, що темна матерія не складається з надмасивних частинок. Робота, заснована на суперкомп’ютерному моделюванні, припускає, що натомість темна матерія складається з аксіонів — гіпотетичних частинок, настільки легких, що вони подорожують у просторі, як хвилі. Якщо це правда, це не тільки виявить, з чого складається 85% матерії у Всесвіті, але також може призвести до нової фізики за межами Стандартної моделі. Дослідження опубліковано в Nature Astronomy.

Темну матерію складно вивчати, оскільки вона не випромінює, не поглинає та не відбиває світло. Натомість команда під керівництвом аспіранта Альфреда Амрута (Університет Гонконгу) шукала вплив матеріалу на гравітаційне лінзування.

У цьому ефекті галактика та її масивне гало темної матерії викривляють тканину простору-часу навколо себе. Світло від більш віддаленого джерела слідує за цією кривизною й огинається навколо галактики, ніби проходить через лінзу.

Коли лінза переднього плану та віддалене джерело світла розташовані близько один до одного, астрономи бачать кілька зображень одного фонового об’єкта. Положення та яскравість цих зображень залежать від розподілу темної матерії в лінзі, що забезпечує потужний зонд таємничої речовини.

Протягом останніх двох десятиліть астрофізики намагалися правильно відтворити положення та яскравість цих кількох зображень, оскільки вони припускали, що темна матерія складається з масивних частинок зі слабкою взаємодією (WIMP). Якщо WIMPS — це темна матерія, то щільність галактик повинна плавно зменшуватися, коли ви рухаєтеся від центру. За винятком того, що астрономи насправді роблять висновок із зображень, отриманих в лінзах.  

Натомість команда Амрута звернулася до альтернативного кандидата в темну матерію: аксіонів. Ці надлегкі частинки вперше були запропоновані в 1970-х роках для розв’язання проблеми фізики елементарних частинок щодо сильної сили. Квантова теорія говорить, що аксіони подорожують у просторі як хвилі, а не як частинки, що призводить до випадкових флуктуацій щільності, коли хвилі взаємодіють одна з одною. Ці випадкові флуктуації зробили б розподіл темної матерії навколо галактики нерівним. (Варто зазначити, що ані WIMP, ані аксіони не були виявлені безпосередньо.)

Припустивши, що темна матерія складається з аксіонів, Амрут і його колеги змогли відтворити спостережувані положення та яскравість системи з чотирма лінзами HS 0810+2554: еліптичної галактики переднього плану, яка розділяє світло від галактики фону на чотири зображення.

«Ми досягли точки, коли існуючу парадигму темної матерії необхідно переглянути», — говорить Амрут. «Попрощатися з надмасивними частинками, які вже давно проголошені як улюблені кандидати на темну матерію, може бути непросто, але накопичуються докази на користь того, що темна матерія має хвилеподібні властивості, якими володіють надлегкі частинки».

Однак Едвард Харді (Університет Ліверпуля, Великобританія), який не брав участі в дослідженні, закликає бути обережними. «Ця стаття є лише першим кроком, і для того, щоб визначити природу темної матерії, потрібен великий подальший аналіз», — говорить він. За словами члена команди Джорджа Смута, космічний телескоп Джеймса Вебба повинен виявити багато інших систем із гравітаційними лінзами, запропонувавши більш жорстку перевірку ідеї.

Якщо ця майбутня робота закріпить висновки досліджень Амрута, Харді каже, що це буде вражаюче відкриття. «Це матиме значні наслідки, — каже він, — не лише для астрофізики, але й для фізики елементарних частинок високих енергій у цілому».