Далекие галактики и истинная природа темной материи

Эти важные выводы были сообщены в новом исследовании, недавно опубликованном в престижном Астрономия и астрофизика журнал которая изучала большое количество далеких галактик, находящихся на расстоянии около семи миллиардов световых лет от нас. Исследование, проведенное Гаури Шармой и Паоло Салуччи из SISSA вместе с Гленом Ван де Веном из Венского университета, по-новому взглянуло на одну из величайших загадок современной физики.

По мнению авторов, это новое исследование представляет собой шаг вперед в нашем понимании темной материи, неуловимого элемента в нашей Вселенной, который был теоретизирован на основе его очевидного воздействия на небесные тела, но который еще предстоит напрямую доказать. И это несмотря на любое количество целенаправленных астрофизических наблюдений и экспериментов, проводимых с этой целью в специализированных подземных лабораториях.

Изучение темной материи в далеких галактиках

Темная материя составляет примерно 84% массы в космосе: «Ее доминирующее присутствие во всех галактиках возникает из-за того, что звезды и газообразный водород движутся так, как будто управляются невидимым элементом», — объясняет Гаури Шарма.

До сих пор попытки изучить его были сосредоточены на галактиках, близких к нашей: «В этом исследовании, однако, — объясняет она, — впервые мы стремились наблюдать и определять распределение массы спиральных галактик с той же морфологией, что и те, что находятся поблизости, но намного дальше и, следовательно, раньше примерно на семь миллиардов лет.

Идея, по сути, заключается в том, что эти прародители спиральных галактик, таких как наша, могут предложить фундаментальные подсказки о природе частицы, лежащей в основе тайны темной материи. Паоло Салуччи добавляет: «Изучая движение звезд примерно в 300 далеких галактиках, мы обнаружили, что эти объекты также имеют гало темной материи, и что, начиная с центра галактики, это гало эффективно имеет область, в которой его плотность постоянна».

Эта черта уже наблюдалась в исследованиях, изучающих близлежащие галактики, некоторые из которых также были работой SISSA.

В центре спиральных галактик — тех, которые находятся рядом с нами, но также и в миллиардах световых лет от нас — есть обширная сферическая область, состоящая из частиц темной материи. Эта область имеет две определяющие характеристики: плотность, которая постоянна до определенного радиуса, который удивительно расширяется с течением времени, в то время как плотность уменьшается. Фото: Гаури Шарма

Новое исследование показало, однако, что в этом центральном регионе было что-то совершенно неожиданное в контексте так называемой «стандартной модели космологии». Шарма говорит, что «в результате контраста между свойствами близлежащих и далеких спиральных галактик — то есть между сегодняшними галактиками и их предшественниками семи миллиардов лет назад, мы могли видеть, что существует не только необъяснимая область с постоянной плотностью темной материи, но и то, что ее размеры увеличиваются со временем, как будто подвергаясь процессу непрерывного расширения и разбавления».

Эти доказательства очень трудно объяснить, если частицы темной материи не взаимодействуют, как утверждается в модели Lambda-CDM. «В тИсследование, которое мы недавно опубликовали, — говорит Шарма, — мы предлагаем доказательства прямого взаимодействия между темной материей и обычной материей, которая со временем медленно создает область постоянной плотности от центра галактики наружу». Но это еще не все.

Медленный, но неумолимый процесс

«Удивительно, но вышеупомянутый регион с постоянной плотностью расширяется с течением времени. Это очень медленный процесс, но неумолимый», — говорит Салуччи. Одно из возможных объяснений?

«Самое простое заключается в том, что в начале, когда галактика была сформирована, распределение темной материи в сферическом гало было таким, как предсказывалось теорией Лямбда-CDM, с пиком плотности в центре. Позже формируется галактический диск, который характеризует спиральные галактики, окруженный гало чрезвычайно плотных частиц темной материи. Со временем эффект взаимодействия, который мы предположили, означал, что частицы были захвачены звездами или выброшены во внешние пределы галактики.

Этот процесс создаст сферическую область постоянной плотности внутри гало темной материи, с размерами, которые пропорционально увеличиваются с течением времени и, наконец, достигают размеров галактического звездного диска, как описано в статье «Астрономия и астрофизика».

«Результаты исследования ставят важные вопросы для альтернативных сценариев, которые описывают частицы темной материи (помимо Lambda-CDM), такие как теплая темная материя, самовзаимодействующая темная материя и ультрасветлая темная материя», — говорит Шарма.

«Эти модели должны также учитывать четкую эволюцию времени, зарегистрированную в вышеупомянутом регионе. Свойства очень далеких галактик в пространстве и времени предлагают космологам подлинные ворота к пониманию тайн темной материи.

Интересно отметить, «что, в соответствии с философией Ницше, истина этой тайны может быть раскрыта не путем детализации самого красивого сценария — того, который математически наиболее элегантен, прост и предвосхищен как расширение давно проверенных теорий, — а скорее через «уродливый» сценарий, определяемый неэлегантной и сложной наблюдательной феноменологией. от забытой физической теории, которая совершенно не связана с тем, что нам знакомо», — говорит Салуччи.