Далекі галактики та істинна природа темної матерії

Дослідники вивчили далекі галактики та порівняли ореол темної матерії у них та у близько розташованих галактик, і виявили дещо абсолютно несподіване в контексті так званої "стандартної моделі космології".

Про це розповідають у Міжнародній школі передових досліджень (SISSA), передають OstanniPodii.com.

У центрах спіральних галактик — як близьких до нас, так і віддалених на мільярди світлових років — знаходиться величезна сферична область, що складається з частинок темної матерії.

Ця область має дві визначальні характеристики: щільність, постійна до певного радіуса, який дивовижно розширюється з часом, тоді як щільність зменшується. Це дозволяє припустити існування прямої взаємодії між елементарними частинками, які утворюють ореол (або гало) темної матерії, та частинками, з яких складається звичайна матерія — протони, електрони, нейтрони й фотони.

Вбачається, що ця гіпотеза знаходиться в прямому конфлікті з переважною наразі теорією, яка використовується для опису Всесвіту, відомою як Лямбда-холодна темна матерія, яка стверджує, що частинки холодної темної матерії інертні та не взаємодіють ні з якими іншими частинками, крім як гравітаційно.

Про ці важливі висновки повідомляється в новому дослідженні, нещодавно опублікованому в журналі Astronomy and Astrophysics, в якому вивчалася велика кількість далеких галактик, на відстані приблизно 7 мільярдів світлових років.

Дослідження, проведене Гаурі Шармою та Паоло Салуччі із SISSA разом з Гленом Ван де Веном з Віденського університету, дозволило по-новому поглянути на одну з найбільших загадок сучасної фізики.

За словами авторів, це нове дослідження являє собою крок вперед у нашому розумінні темної матерії, невловного елемента в нашому Всесвіті, який був теоретизований на основі його видимого впливу на небесні тіла, але який ще безпосередньо не доведений. І це попри велику кількість цілеспрямованих астрофізичних спостережень та експериментів, проведених для цієї мети у спеціальних підземних лабораторіях.

Вивчення темної матерії в далеких галактиках

Темна матерія становить приблизно 84% маси космосу. «Її панівна присутність у галактиках пояснюється тим, що зорі та газоподібний водень рухаються так, ніби керуються невидимим елементом», — пояснює Гаурі Шарма.

До цього часу спроби її вивчення були зосереджені на галактиках, близьких до нашої. «Однак у цьому дослідженні, — пояснює вона, — ми вперше прагнули спостерігати та визначити розподіл маси спіральних галактик із такою ж морфологією, як у тих, що знаходяться поблизу, але набагато далі, а отже, раніше приблизно на сім мільярдів років. Ідея по суті полягає в тому, що ці прабатьки спіральних галактик, подібних до нашої, можуть запропонувати фундаментальні підказки щодо природи частинки, яка лежить в основі таємниці темної матерії».

Паоло Салуччі додає, що «вивчаючи рух зірок приблизно у 300 віддалених галактиках, ми виявили, що ці об’єкти також мають гало темної матерії, і що, починаючи з центру галактики, цей ореол фактично має область, в якій його густина постійна».

Ця особливість вже була помічена в дослідженнях, що вивчали сусідні галактики, деякі з яких також були роботою SISSA.

Однак нове дослідження показало, що ця центральна область має дещо абсолютно несподіване в контексті так званої "стандартної моделі космології".

Шарма каже, що «в результаті контрасту між властивостями близьких і далеких спіральних галактик — тобто між сьогоднішніми галактиками та їхніми предками, які існували сім мільярдів років тому — ми змогли побачити, що існує не тільки нез’ясована область з постійною щільністю темної матерії, але також і те, що її розміри з часом збільшуються, ніби піддані процесу постійного розширення та розрідження».

Цей доказ дуже важко пояснити, якби частинки темної матерії не взаємодіяли, як це стверджується в моделі Лямбда-холодної темної матерії.

«У дослідженні, яке ми нещодавно опублікували, — каже Шарма, — ми пропонуємо докази прямої взаємодії між темною матерією та звичайною матерією, яка з часом повільно створює область постійної щільності від центру галактики назовні». Але це ще не все.

Повільний, але невблаганний процес

«Дивно, але вищезгадана область з постійною щільністю розширюється з часом. Це дуже повільний процес, але невблаганний», — стверджує Салуччі.

Яке одне з можливих пояснень?

«Найпростішим є те, що спочатку, коли утворилася галактика, розподіл темної матерії у сферичному ореолі був таким, як передбачає теорія Лямбда-холодної темної матерії, з піком щільності в центрі. Пізніше формується галактичний диск, характерний для спіральних галактик, оточений ореолом надзвичайно щільних частинок темної матерії. З плином часу ефект взаємодії, який ми запропонували, означав, що частинки захоплювалися зорями або виганялися у зовнішні межі галактики».

Цей процес створив би сферичну область постійної щільності всередині ореолу темної матерії з розмірами, які пропорційно збільшуються з часом і, нарешті, досягають розмірів галактичного зоряного диска, як описано в статті в Astronomy and Astrophysics.

«Результати дослідження ставлять важливі питання для альтернативних сценаріїв, які описують частинки темної матерії (крім Лямбда-холодної темної матерії), таких як тепла темна матерія, темна матерія зі взаємодією та ультралегка темна матерія», — говорить Шарма.

«Ці моделі також повинні врахувати чітку часову еволюцію, зареєстровану у вищезгаданій області. Властивості дуже віддалених галактик у просторі та часі пропонують космологам справжній шлях до розуміння таємниць темної матерії».

Цікаво відзначити, що «відповідно до філософії Ніцше, істину цієї таємниці можна розкрити не шляхом деталізації найкрасивішого сценарію — того, який математично найбільш елегантний, простий та очікуваний як розширення давно перевірених теорій, — а скоріше через "потворний" сценарій, визначений неелегантною та складною феноменологією спостереження, із занедбаної фізичної теорії, яка абсолютно не пов’язана зі знайомою нам», — каже Салуччі.

! Читайте ще цікаві новини про космос на сайті, або слідкуйте за ними на Facebook.