Довольно неприятно признавать, что за прошедшее столетие космологам так и не удалось понять, из чего состоит большая часть материи во Вселенной. Обычная материя, из которой мы состоим и которая образует знакомые объекты, такие как кометы, астероиды, планеты и межзвездный газ, составляет лишь шестую часть космического массобаланса всей материи (исключая вакуум, составляющий тёмную энергию и не разрушающийся как материя по мере расширения Вселенной). Остальная часть — это невидимая материя, не проявляющая каких-либо взаимодействий, кроме гравитационного, с обычной материей.
Космологическая модель, которая лучше всего объясняет наблюдаемые структуры на больших космических масштабах, предполагает существование холодной тёмной материи (CDM). Считается, что эта материя состоит из массивных частиц, которые охладились до очень низкой температуры в результате расширения Вселенной к моменту формирования галактик. Эта модель согласуется с большинством космологических данных, включая изображение Вселенной в возрасте 380 000 лет в виде флуктуаций яркости космического микроволнового фона. На малых масштабах модель CDM предсказывает наличие плотных "кусков" тёмной материи в центрах всех галактик, а также большое количество карликовых галактик вплоть до масс, которые в миллионы раз меньше, чем у Млечного Пути.
Существует множество данных наблюдений на малых масштабах, которые отклоняются от этих общих предсказаний. Например, карликовые галактики, как правило, имеют ядро вместо плотного центра, хотя они и доминируют по тёмной материи, и их количество ниже ожиданий. Один из способов исправить ситуацию, предложенный два десятилетия назад, заключается в том, что частицы тёмной материи могут взаимодействовать друг с другом и "сглаживать" плотные центры в карликовых галактиках. Самовзаимодействие частиц тёмной материи не требуется в больших системах, таких как скопления галактик, где тёмная материя была впервые обнаружена. Основное различие между этими системами, где доминирует тёмная материя, заключается в характерных скоростях частиц; в то время как карликовые галактики имеют неглубокие гравитационные потенциальные ямы, в которых частицы движутся с характерной скоростью десяти километров в секунду, в скоплениях галактик массы в миллионы раз больше, и частицы движутся в сто раз быстрее.
Десять лет назад я вместе с профессором Нилом Вайнером из NYU предложил, что, возможно, тёмная материя обладает внутренними взаимодействиями, аналогичными электрически заряженным частицам, таким как электроны или протоны. В этом случае сечение для столкновения снижалось бы обратно пропорционально скорости в четвёртой степени, оказывая значительное воздействие на карликовые галактики и незначительное влияние на скопления. Мы связали это поведение с внутренними свойствами неизвестных частиц и их самовзаимодействием, представляя новую физику за пределами стандартной модели частиц. Чтобы воздействовать на ядра карликовых галактик, частицы должны обладать сечением самовзаимодействия на единицу массы, аналогичным обычной материи, порядка десяти квадратных сантиметров на грамм материала.
За последнее десятилетие десятки космологических симуляций показали, что такое самовзаимодействие может решить проблемы малых масштабов в популярной парадигме CDM. Но почему тёмная материя должна взаимодействовать сама с собой так сильно? Что влечёт за собой это самовзаимодействие? Это новая сила природы?
Однажды утром я заметил препринт, делающий сильный вывод в пользу самовзаимодействующей тёмной материи на основе последних данных о карликовых галактиках в пределах Млечного Пути. Это заставило меня задуматься, может ли быть более простой способ объяснить самовзаимодействие, и, к счастью, я нашёл один. Это взаимодействие может не требовать новой силы природы, а может просто включать гравитацию, которую тёмная материя признаёт, ведь именно она позволила её обнаружить.
Я понял, что если тёмная материя состоит из объектов, масса которых в десять тысяч раз превышает массу Солнца, то такие объекты могли бы рассеиваться друг на друга гравитационно с сечением десяти квадратных сантиметров на грамм при характерной скорости десяти километров в секунду в карликовых галактиках. Дополнительным бонусом является то, что сечение гравитационного рассеяния убывает обратно пропорционально скорости в четвёртой степени, аналогично заряженным частицам. Это может объяснить, почему самовзаимодействие тёмной материи имеет незначительные последствия для скоплений галактик.
Получив эту мысль в 5:15 утра, я начал писать статью, делая лишь короткие перерывы на утреннюю пробежку и завтрак. Статья была отправлена на публикацию к 14:00. Это был мой самый короткий промежуток "от идеи до публикации".
Если тёмная материя действительно организована в массивные объекты, вопрос заключается в том, почему? Одна из возможностей заключается в том, что эти объекты были образованы изначально через фазовый переход в ранней Вселенной.
С момента открытия тёмной материи в 1933 году Фрицем Цвикки она представляла собой необъяснимую аномалию в наших наблюдениях Вселенной. Первоначально её существование игнорировалось на протяжении четырёх десятилетий основной наукой. Замечательно, что эта форма материи, природа которой нам незнакома, доминирует в массе вещества во Вселенной. Это похоже на обнаружение аномалий в `Оумуамуа, первом межзвёздном объекте, замеченном возле Земли. И тёмная материя, и аномальные межзвёздные объекты остаются незнакомыми, но всё же обильными. Вселенная богаче, чем наш ограниченный земной опыт.
Чтобы учиться на новых впечатлениях, мы должны приглушить эго экспертов, которые стремятся объяснять аномалии, опираясь на прошлый опыт. Они часто поднимают пыль, мешая остальным видеть ясно. Когда пыль оседает, у нас появляются новые идеи о нашем космическом окружении.
Если вам нравится читать статьи на нашем канале и вы хотите помочь в его развитии, вы можете поддержать канал донатом: