Исследование предполагает, что темная материя все-таки может обладать столкновительными свойствами

Вопреки стандартной модели, темная материя действительно может быть самораспространяющейся. К такому выводу пришло исследование опубликованное в журнале Astronomy and Astrophysics и проведенное Риккардо Вальдарнини (Riccardo Valdarnini) из группы астрофизики и космологии SISSA. С помощью численного моделирования авторы исследования проанализировали, что происходит внутри «El Gordo» (буквально «Толстяк» на испанском языке), гигантского сливающегося скопления, удаленного на семь миллиардов световых лет.

Расчеты показали, что в этом скоплении наблюдаемое физическое разделение между точками максимальной плотности темной материи и точками других компонентов массы может быть объяснено с помощью так называемой модели SIDM (Self-Interacting Dark Matter) в отличие от стандартной модели. Данное исследование вносит важный вклад в пользу модели SIDM, согласно которой частицы темной материи обмениваются энергией в результате столкновений, что приводит к интересным астрофизическим последствиям.

«Эль Гордо»: гигантская космическая структура для изучения темной материи

«Согласно принятой в настоящее время стандартной космологической модели, текущая плотность барионной материи во Вселенной может составлять лишь 10% от общего содержания материи. Остальные 90% находятся в виде темной материи», — объясняет Вальдарнини, автор исследования. изучить.

«Обычно считается, что эта материя не барионная и состоит из холодных, бесстолкновительных частиц, которые реагируют только на гравитацию. Отсюда и название «холодная темная материя» (ХТМ). Однако существует ряд других наблюдений, которые пока не подтверждены и не объяснены с помощью Стандартной модели», — говорит исследователь. «Чтобы ответить на эти вопросы, несколько авторов предлагают альтернативную модель, названную SIDM».

Доказать коллизионные свойства темной материи и, в целом, теорий, альтернативных стандартной космологической модели, очень сложно. Он объясняет: «Однако на расстоянии многих световых лет от нас существуют уникальные лаборатории, которые могут оказаться очень полезными для этой цели. Это массивные скопления галактик, гигантские космические структуры, которые, сталкиваясь, определяют самые энергичные события со времен Большого взрыва.

«Имея массу около 10¹⁵ солнечных масс, Эль-Гордо является одним из крупнейших известных нам скоплений галактик. Из-за своих особенностей Эль-Гордо стало предметом многочисленных исследований, как теоретических, так и наблюдательных».

Темная материя может быть склонна к столкновениям.

Согласно стандартной парадигме, при слиянии скоплений поведение столкновительной газовой составляющей массы будет отличаться от поведения двух других компонентов — галактик и темной материи. В этом случае газ будет рассеивать часть своей первоначальной энергии.

«Именно поэтому после столкновения пик плотности массы газа будет отставать от пика плотности темной материи и галактик», — объясняет Вальдарнини. Однако в модели SIDM должно наблюдаться своеобразное явление, а именно физическое отделение центроидов темной материи — точек ее максимальной плотности — от центроидов других компонентов массы с особенностями, которые представляют собой истинную «подпись моделей SIDM». Согласно наблюдениям, именно это и происходит внутри «Эль Гордо».

Смотреть Эль Гордо

«Начнем с наблюдений, — объясняет Вальдарнини. Эль-Гордо состоит из двух массивных субкластеров, названных Северо-Западным (NW) и Юго-Восточным (SE) соответственно. На рентгеновском снимке скопления Эль-Гордо виден один рентгеновский пик в субкластере SE и два слабых хвоста, выходящих за пределы рентгеновского пика. Примечательной особенностью является расположение пиков различных массовых компонент.

В отличие от кластера Bullet, еще одного важного примера сталкивающегося скопления, рентгеновский пик опережает пик темной материи SE. Более того, самая яркая галактика скопления (BCG) не только отстает от рентгеновского пика, но и оказывается пространственно смещенной от центра масс SE. Еще один примечательный аспект можно наблюдать в скоплении NW, где пик плотности числа галактик пространственно смещен от соответствующего пика массы.

Полученные результаты позволяют предположить, что столкновение темной материи может дать объяснение явлениям, наблюдаемым в Эль-Гордо.

Чтобы объяснить свои выводы и подтвердить модели SIDM, Вальдарнини использовал большой набор так называемых гидродинамических симуляций N-тел. Таким образом, он провел систематическое исследование, направленное на воспроизведение наблюдательных особенностей Эль-Гордо.

«Самый важный результат этого моделирования заключается в том, что относительные расстояния, наблюдаемые между различными центроидами масс скопления Эль-Гордо, естественным образом объясняются взаимодействием темной материи с самой собой», — утверждает Вальдарнини.

«По этой причине эти результаты дают однозначное представление о поведении темной материи, которая проявляет столкновительные свойства в очень энергичных столкновениях скоплений с высоким красным смещением. Однако есть и несоответствия, поскольку значения сечения SIDM, полученные из этих симуляций, выше, чем представленные верхние пределы, которые составляют порядка единицы на масштабе кластера.

«Это говорит о том, что существующие модели SIDM следует рассматривать лишь как приближение низкого порядка, и что физические процессы, описывающие взаимодействия темной материи при слиянии крупных скоплений, более сложны, чем могут быть адекватно представлены общепринятым подходом рассеяния частиц темной материи.

«Исследование убедительно доказывает возможность самовзаимодействия темной материи между сталкивающимися скоплениями как альтернативу стандартной парадигме темной материи без столкновений».