Квантовый туман вместо холодной тьмы: новое исследование ставит под сомнение главную теорию Вселенной

Физики привыкли считать, что знают, из чего сделана бóльшая часть космоса. Холодная тёмная материя (CDM) — медленные, почти невидимые частицы, взаимодействующие только через гравитацию — десятилетиями оставалась незыблемой основой астрофизики. Но новая работа, опубликованная 23 января на сервере препринтов arXiv, бросает этой теории дерзкий вызов.

Анализируя странно искривлённый свет далёких галактик, исследователи пришли к выводу: стандартная модель гладкого распределения тёмной материи «решительно не favoured» (не подтверждается) данными. Вместо неё с большим отрывом лидирует так называемая «пушистая» (или ультралёгкая) тёмная материя — FDM. Ей удалось обойти не только классическую CDM, но и более экзотическую модель самовзаимодействующей тёмной материи, предполагающую, что частицы слегка «липнут» друг к другу.

Если выводы подтвердятся, нам придётся пересмотреть саму природу реальности. Тёмная материя может оказаться не роем дискретных песчинок, а квантовым туманом — океаном сверхлёгких волн, рябь которого пронизывает галактики.

Три вкуса тьмы

Астрономы любят сравнивать теории тёмной материи с разными сортами мороженого — в меню три основных.

Холодная тёмная материя (CDM) — классика, «ванильный пломбир». Невидимые медленные частицы легко слипаются в комки, образуя гало — гигантские структуры, внутри которых роятся более мелкие сгустки, субгало. Именно они служат гравитационными якорями для галактик. Теория работает, но с оговорками: она спотыкается на аномалиях карликовых галактик и не может объяснить, почему их вращение выглядит не так, как предсказывают модели.

Самовзаимодействующая тёмная материя — та же CDM, но с добавкой «карамели». Частицы слегка трутся друг о друга при столкновениях. Это делает плотные области более гладкими и меняет динамику коллапса. Где-то помогает, но не везде.

И наконец, пушистая тёмная материя (FDM) — самый необычный десерт. Вместо частиц — волны. Вместо комков — рябь. Сверхлёгкие квантовые флуктуации не могут собраться в острые, резко очерченные сгустки наподобие CDM. Они создают мягкие, размытые паттерны, похожие на круги на воде. Искривление света при прохождении через такой «туман» выглядит иначе — более плавно, менее точечно.

Искривлённый свет как улика

Гравитационное линзирование — главный детектив в этой истории. Когда свет далёкой галактики огибает массивный объект на пути к нам, он искривляется. По характеру искажений можно восстановить распределение массы — в том числе и тёмной.

Команда исследователей проанализировала данные по 11 галактикам, выбрав те системы, где свет гнётся особенно резко и отчётливо. Результат оказался неожиданным. Модели гладкого распределения тёмной материи, предсказываемые CDM, категорически не соответствуют наблюдениям. Даже когда учёные усложняли модели и исключали системы, где линзирование могли «зашумлять» микролинзы отдельных звёзд, пушистая тёмная материя уверенно сохраняла преимущество.

Океан, а не песок

Что это значит для нашего понимания Вселенной?

Если FDM — верный ответ, космос фундаментально иной. Не дискретный, а волновой. Не корпускулярный, а квантовый. Тёмная материя — не рой невидимых частиц, а огромный космический океан с едва уловимыми течениями.

Это заставляет пересмотреть всё: как рождаются галактики, как распределяется вещество, как работает гравитация на малых масштабах. Нынешние симуляции, построенные на основе CDM, придётся запускать заново — с другими начальными условиями.

И конечно, открывается шквал новых вопросов. Как этот квантовый туман взаимодействует с обычной материей? Можно ли его зарегистрировать в лаборатории? И главное — что представляют собой эти «ультралёгкие» волны? Частицы с массой в миллиарды раз меньше электрона? Поле, колеблющееся на частотах, которые мы пока не умеем измерять?

Тень истины

Мы начали эту детективную историю, пытаясь опознать неуловимого архитектора космоса. Долгие годы главным подозреваемым была холодная тёмная материя — надёжная, предсказуемая, удобная. Но улики, собранные на месте преступления, не складывались в стройную картину.

Новое исследование не ставит точку. Оно лишь первый звонок. Работа ещё не прошла рецензирование, и потребуются годы, чтобы проверить её выводы на более обширных выборках, с более точными инструментами, с более сложными симуляциями. Но направление задано.

Если пушистая тёмная материя подтвердится, мы столкнёмся с парадоксом: бóльшая часть Вселенной состоит из субстанции, которую невозможно пощупать, невозможно увидеть, невозможно поймать в детектор, потому что она вообще не частица в привычном смысле. Это вызов не только физике, но и самому языку, которым мы описываем реальность.

Одно можно сказать наверняка: космос всегда хранит больше тайн, чем мы готовы признать. И каждый раз, когда нам кажется, что ответ уже близко, Вселенная деликатно напоминает: вы смотрите лишь на рябь. Океан глубже.