|
Пришло время расширить наше понимание темной материи
|
|
|
|
Согласно новому анализу далеких скоплений галактик, мы, возможно, гораздо меньше знаем о темной материи, чем считалось ранее. Астрофизик из Йельского университета Приямвада Натараджан, ведущий теоретик природы черных дыр и темной материи, говорит, что новые данные наблюдений противоречат некоторым предположениям о холодной темной материи (ХТМ) — невидимых, медленно движущихся частицах, существование которых выводится по их влиянию на гравитацию, — и могут побудить ученых к фундаментальному переосмыслению темной материи.
|
|
|
|
Анализ предполагает существование либо двух типов темной материи, либо совершенно нового типа частиц, влияющих на самые внутренние, самые плотные скопления галактик — крупнейшие во Вселенной совокупности галактик, удерживаемые вместе темной материей.
|
|
|
|
«Обе возможности требуют своего рода интеллектуального расширения», — сказал Натараджан, профессор астрономии и физики имени Джозефа С. и Софии С. Фрутон на факультете искусств и наук Йельского университета и главный автор нового исследования, опубликованного в журнале The Astrophysical Journal Letters. «Это момент, когда мы должны открыть свой разум и изменить наше представление о том, что работает. Лично я нахожу это очень захватывающим».
|
|
|
|
Хотя темная материя до сих пор не открыта, считается, что она является каркасом, на котором строятся структуры во Вселенной, включая планеты, звезды и галактики. Астрономы почти два десятилетия моделируют влияние темной материи на формирование галактик, слияния и скопления, основываясь на космологической модели Lambda CDM, стандартной модели для понимания эволюции Вселенной.
|
|
|
|
|
|
|
В своем новом исследовании Натараджан и соавторы Барри Т. Чанг и Исаак Дутра, оба доктора наук, Студенты Высшей школы искусств и наук Йельского университета используют метод гравитационного линзирования для сбора данных из трех скоплений галактик и сравнивают их со стандартной моделью темной материи. Полученные ими данные могут оказаться решающими либо для пересмотра стандартной модели, либо для направления изучения физики темной материи в совершенно новое русло.
|
|
|
|
Натараджан, Чанг и Дутра рассказали Yale News о новом исследовании и о том, что оно может предвещать.
|
|
|
|
Что побудило вас искать несоответствия в стандартной модели темной материи?
|
|
|
|
Натараджан: В 2017 году я возглавлял группу, которая изучала одно скопление галактик. Тогда уже были намеки на возможные аномалии. Спустя почти десять лет мы наблюдаем невероятный скачок в количестве точных данных, доступных для изучения с помощью космического телескопа Хаббл и космического телескопа Джеймса Уэбба.
|
|
|
|
Нам удалось изучить три исключительно хорошо изученных массивных скопления галактик, подверженных гравитационному линзированию — MACS J0416, MACS J1206 и MACS J1149. Эти скопления обладают глубокими данными визуализации, обширной спектроскопией и высокоточными моделями линзирования, необходимыми для строгого сравнения с теорией.
|
|
|
|
Чианг: Участие в этом проекте невероятно захватывающе, и мы начинаем, в буквальном смысле, видеть невидимое, сопоставляя теории темной материи с передовыми наблюдательными данными и моделированием.
|
|
|
|
Вы упомянули «линзирование» — это гравитационное линзирование. Почему это выгодный метод для изучения темной материи?
|
|
|
|
Натараджан: Он уникально эффективен. Линзирование, возникающее в результате искривления света под действием гравитации, предлагает уникальный способ отображения распределения всей материи, как темной, так и видимой. Само присутствие материи вызывает искривление света, поэтому, в отличие от других методов исследования, гравитационное линзирование не учитывает динамику конкретной области, будь то спокойная или турбулентная зона Вселенной — а это сложные области. Внутренние части интересующих нас галактик заполнены черными дырами, джетами и звездами. Там происходит множество событий.
|
|
|
|
Гравитическое линзирование — идеальный способ проверить на прочность стандартную модель космологии.
|
|
|
|
Что именно вы проверяете на прочность?
|
|
|
|
Натараджан: Согласно стандартной парадигме, каждое массивное скопление галактик находится внутри гало — огромной невидимой оболочки из темной материи. Частицы темной материи, составляющие это гало, агрегируются только под действием гравитации. Но это гало не идеально гладкое. Оно содержит множество меньших скоплений темной материи, называемых субгало, — это сохранившиеся остатки, попавшие в гравитационную хватку скопления за космическое время. Эти субгало, в свою очередь, содержат видимые галактики, удерживаемые гравитационной хваткой большего скопления.
|
|
|
|
Мы исследовали четыре независимых свойства субгало, сравнивая наши наблюдательные данные с тщательно отобранными аналогами, найденными в моделировании стандартной модели.
|
|
|
|
Что вы обнаружили?
|
|
|
|
Натараджан: Модель остается невероятно успешной в объяснении крупномасштабной структуры Вселенной: космической сети, кластеризации галактик и распределения материи в огромных масштабах. Однако внутри скоплений галактик сгустки темной материи ведут себя одним образом во внешних областях и другим — в плотных внутренних ядрах, что указывает на аномалию, которая может рассказать нам что-то о самой природе темной материи.
|
|
|
|
Что же происходит внутри галактик во внутренней части скоплений?
|
|
|
|
Натараджан: Эти внутренние области галактик скоплений рассказывают совсем не то, что ожидалось. Распределение сгустков темной материи совершенно не соответствует моделированию. Содержание материи в наблюдаемых субгало гораздо более сконцентрировано в центрах скоплений. Кроме того, моделирование с использованием стандартной модели не воспроизводит достаточное количество субгало в этой самой внутренней области.
|
|
|
|
Еще более поразительным является сигнал от сильного гравитационного линзирования между галактиками. Здесь отдельные галактики скоплений — и окружающие их субгало темной материи — действуют как меньшие линзы, встроенные в большую линзу скопления. Наблюдаемые скопления производят эти события гравитационного линзирования в масштабах галактик гораздо чаще, чем предсказывают модели стандартной модели, почти на порядок.
|
|
|
|
Чтобы объяснить это избыточное линзирование, центры субгало должны быть гораздо плотнее и концентрированнее, чем позволяют обычные модели. Их внутренние профили напоминают то, что могло бы возникнуть, если бы частицы темной материи могли самовзаимодействовать и подвергаться экстремальному коллапсу, вызывая реальное накопление во внутренних областях субгало.
|
|
|
|
Дутра: Это избыточное линзирование поразительно, потому что оно не просто отображает местоположение темной материи — оно может раскрывать, что собой представляет темная материя, поскольку для его разрешения требуются самовзаимодействия частиц темной материи за пределами гравитации.
|
|
|
|
Что все это означает для дальнейших поисков темной материи?
|
|
|
|
Натараджан: Это не означает, что стандартная модель полностью провалилась. Это более тонкий и гораздо более интересный момент.
|
|
|
|
Модель проходит некоторые из самых строгих тестов на линзирование в кластерах, в то время как другие не проходят в рамках согласованной, зависящей от масштаба картины. Таким образом, субгало стали прецизионными зондами темного сектора. Они могут впервые рассказать нам не только о том, где находится темная материя, но и о том, как она себя ведет.
|
|
|
|
Либо нам нужно усовершенствовать существующую модель и, возможно, учесть вторую частицу, способную к самовзаимодействию, либо, что еще более интересно, мы, возможно, наблюдаем первые небольшие признаки, указывающие на совершенно новый тип частиц. Время покажет.
|
|
|
|
Источник
|
