Через 80 років після відкриття темної матерії вчені наблизилися до розгадки її природи. Нове дослідження, що базується на даних карликової галактики Leo II, визначило мінімально можливу масу частинок, з яких може складатися ця невидима субстанція. Результати як звужують коло гіпотез, а й відкривають шлях до принципово нових методів вивчення Всесвіту.
Темна матерія не випромінює світло, але її гравітаційний вплив проявляється в русі зірок і галактик. Наприклад, спіральні галактики обертаються з такою швидкістю, що їх видимої маси недостатньо для утримання зірок на орбітах. масивні, як атоми, інші — що вони легше нейтрино.
Використовуючи спостереження карликової галактики Leo II, майже повністю складається з темної матерії, вчені розрахували межі маси обох сценаріїв. Якщо це ферміони, то їхня маса має перевищувати 120 електронвольт — інакше вони б «розлетілися» через квантові заборони. Однак для бозонів обмеження інше. Тут працює принцип невизначеності: що точніше відома позиція частки, то складніше визначити її швидкість. Аналіз руху зірок у Leo II (близько 15 км/с) та розміру галактики (9000 світлових років у діаметрі) дозволив вивести мінімальну масу бозона – 2,2×10 -21 електронвольт. Це в трильйони разів легше за нейтрино.
Щоб перевірити розрахунки, команда створила 5000 моделей Leo II, які враховують розподіл маси і рух зірок.
Ранні оцінки маси бозонів спиралися на складні астрофізичні процеси, наприклад, динаміку газу чи температурну історію Всесвіту. Новий метод, заснований на квантовій механіці та кінематиці зірок, виключає ці змінні, роблячи результат більш універсальним. У майбутньому підхід можна адаптувати для змішаних моделей, де частина темної матерії – надлегкі бозони, а частина – холодна темна матерія (як у стандартній теорії). Це дозволить глибше вивчити зв’язок між астрофізикою та фізикою частинок.
Прогнози вчених обережні, але обнадійливі: методика відкриває шлях до аналізу даних з телескопів, таких як JWST або Rubin Observatory. Можливо, найближчими роками вдасться не лише визначити масу темної матерії, а й нарешті зрозуміти, з чого складається 85% речовини Всесвіту.