Невидимые водовороты темной материи: новая теория раскрывает квантовую природу загадочной субстанции

Невидимая темная материя Вселенной может формировать вращающиеся сгустки, пронизанные множеством микроскопических вихрей, — такое предположение выдвинули ученые в новом теоретическом исследовании.

Результаты работы, опубликованной 30 мая в журнале Physical Review D, предлагают свежий взгляд на поведение «ультралегкой» темной материи — гипотетической субстанции, состоящей из чрезвычайно легких элементарных частиц.

Особая форма темной материи

В отличие от традиционного представления о темной материи как о скоплении тяжелых, медленных частиц без внутренней структуры, новое исследование рассматривает частицы, чья масса меньше миллионной доли массы электрона. Такие частицы могут вести себя не как пассивное облако, а как квантовая жидкость, если между ними существует слабое отталкивающее взаимодействие.

Эта жидкостная природа позволяет формировать солитоны — компактные, устойчивые структуры, в которых гравитационное сжатие уравновешивается внутренним давлением.

«Солитоны — это классические решения уравнений движения, — объясняет Филипп Бракс, соавтор исследования и физик-теоретик из Университета Париж-Сакле. — Они представляют собой гидростатическое равновесие, где гравитационное притяжение компенсируется отталкивающим взаимодействием частиц, подобно тому, как Солнце удерживается в равновесии».

Размеры таких солитонов могут варьироваться от звездных масштабов до целых галактик, что потенциально объясняет, почему центры галактик содержат меньше темной материи, чем предсказывают расчеты.

От вращающихся облаков до вихревых решеток

Ученые смоделировали поведение вращающихся облаков такой темной материи. Оказалось, что вместо плавного вращения, как у твердого тела или урагана, солитоны формируют решетку микроскопических вихрей.

«Когда темное вещество изначально вращается, в центре гало образуется вращающийся солитон, — говорит Патрик Валажа, соавтор исследования. — Он имеет сплюснутую форму, выровненную по оси вращения, а его движение поддерживается квантованными вихрями».

Эти вихри напоминают структуры в сверхтекучих жидкостях, таких как жидкий гелий: вещество вращается не как единое целое, а через множество отдельных «нитей». В центре каждого вихря плотность темной материи падает до нуля, а сами они выстраиваются в упорядоченную решетку.

«Наши расчеты показывают, что линии вихрей выравниваются по направлению общего углового момента и движутся по круговым орбитам внутри солитона, — поясняет Валажа. — Это не плавный поток, а скорее множество микроскопических ‘торнадо’, организованных в кристаллическую структуру».

Связь с космической паутиной

Одно из самых интригующих предположений ученых — возможность того, что эти вихри простираются за пределы отдельных гало, соединяя галактики через нити космической паутины — гигантские структуры из темной материи, формирующие каркас Вселенной.

«Пока это лишь гипотеза, но если вихревые линии действительно связывают разные гало через космические нити, это может означать, что квантовые эффекты темной материи влияют на движение и ориентацию галактик», — отмечает Бракс.

Можно ли обнаружить эти вихри?

Поскольку темная материя не излучает свет, ее присутствие определяется только по гравитационному воздействию на видимую материю. Однако вихри могут оставлять следы:

• «Они создают ‘впадины’ в плотности темной материи, что влияет на гравитационный потенциал и может изменять орбиты звезд и газовых облаков», — говорит Бракс.

• Если темная материя хоть слабо взаимодействует с обычным веществом, вихри могут оставлять более явные следы, но пока это остается загадкой.

Ученые планируют проверить, можно ли обнаружить предсказанные вихревые решетки с помощью астрономических наблюдений, и действительно ли они связаны с космическими нитями.

Пока эти невидимые водовороты остаются гипотетическими, но, возможно, Вселенная не просто наполнена невидимой материей, а соткана из вращающихся квантовых узоров.