Астрономы столкнулись с неожиданными аномалиями в структуре галактик, которые ставят под сомнение традиционные представления о темной материи. Новые данные заставляют пересмотреть простую модель «холодной темной материи» и задуматься о более сложной природе этой загадочной субстанции.
Идея темной материи возникла почти столетие назад. В 1930-х астроном Фриц Цвикки обнаружил, что галактические скопления вращаются так быстро, что должны разлетаться, если только их не удерживает невидимая масса. В 1960-х Вера Рубин подтвердила эту гипотезу, измерив скорость звезд на окраинах галактик. Оказалось, что звезды движутся так быстро, что без дополнительной гравитации галактики давно разрушились бы.
В 1980-х космолог Джим Пиблс предложил модель холодной темной материи (Cold Dark Matter, CDM) — тяжелых медленных частиц, взаимодействующих только через гравитацию. Эта модель легла в основу современной космологии, объяснив формирование крупномасштабной структуры Вселенной. Однако чем точнее становятся наблюдения, тем больше противоречий обнаруживается.
Кризис холодной темной материи
Стандартная модель CDM успешно описывает Вселенную в крупных масштабах: распределение галактик, реликтовое излучение, ускоренное расширение под действием темной энергии. Но на уровне отдельных галактик возникают аномалии, которые не вписываются в привычную картину.
Проблема недостающих спутников
Согласно модели CDM, гало темной материи вокруг галактик должно фрагментироваться на сотни мелких субгало. Каждое из них могло притянуть обычное вещество и стать карликовой галактикой-спутником. Однако вокруг Млечного Пути найдено лишь около 60 таких спутников. Куда исчезли остальные?
Майк Бойлан-Колчин из Техасского университета предполагает, что в мелких субгало просто не хватило массы для формирования звезд. Но даже в этом случае гравитационное влияние этих невидимых структур должно проявляться. Например, при прохождении через звездные потоки — остатки разрушенных карликовых галактик — субгало оставляли бы разрывы.
В 2018 году астрономы обнаружили разрывы в потоке GD-1, что могло быть следствием столкновений с темными субгало. Однако подобные случаи редки, а модель CDM предсказывает их в десятки раз больше.
Загадка ядра гало
Симуляции на основе CDM показывают, что плотность темной материи должна резко возрастать к центру галактики («пик»). Но наблюдения за движением звезд в Млечном Пути указывают на равномерное распределение вещества в ядре («плато»). Это противоречие, известное как «проблема ядра и пика», остается нерешенным с 1990-х.
Поиски частиц-кандидатов
Десятилетия экспериментов на Большом адронном коллайдере не принесли доказательств существования частиц CDM, таких как вимпы (слабовзаимодействующие массивные частицы) или фотино из теорий суперсимметрии. Это заставляет ученых искать альтернативы.
Сложная темная материя: новые гипотезы
Чтобы объяснить аномалии, физики разрабатывают модели «сложной темной материи» (Complex Dark Matter), где привычные частицы заменяются более экзотическими объектами.
Само взаимодействующая темная материя
Одна из идей — частицы темной материи могут сталкиваться друг с другом, обмениваясь энергией. Это позволило бы сгладить пик плотности в ядре галактики. Марианджела Лизанти из Принстона проверила эту гипотезу в симуляциях. Добавление всего 5% само взаимодействующей материи привело к катастрофе — модель Млечного Пути перестала соответствовать наблюдениям.
Атомарная темная материя
Дэвид Кертин из Университета Торонто предлагает радикальную идею: темная материя может формировать сложные структуры, подобные атомам. В его модели «темные атомы» состоят из частиц, взаимодействующих через собственные аналоги электромагнитных сил. Такая материя способна охлаждаться, коллапсировать и даже образовывать «темные звезды» и «темные галактики», невидимо соседствующие с нами.
Проверить это можно с помощью эффекта микролинзирования. Если темные объекты проходят между Землей и далекой звездой, их гравитация усиливает свет последней. Обсерватория Веры Рубин в Чили, запуск которой запланирован на 2025 год, сможет обнаружить такие события.
Теплая темная материя
Другая альтернатива — частицы, движущиеся быстрее, чем предсказывает CDM. Они меньше склонны к образованию мелких субгало, что решает проблему недостающих спутников. Однако теплая материя хуже объясняет формирование галактик в ранней Вселенной.
Могут ли аномалии объясняться обычной материей?
Некоторые ученые предлагают не усложнять темную материю, а пересмотреть роль обычного вещества. Например, взрывы сверхновых могут разогревать газ в галактиках, влияя на распределение темной материи через гравитационное взаимодействие. Однако современные симуляции пока не подтверждают, что такие процессы полностью устраняют противоречия CDM.
Перспективы исследований
Ключ к разгадке — в сочетании наблюдений и компьютерного моделирования.
Симуляции нового поколения
Группы Марка Фогельсбергера (MIT) и Элисон Брукс (Университет Рутгерса) разрабатывают симуляции, учитывающие как сложную темную материю, так и процессы в обычном веществе. Например, проект Illustris-TNG воспроизводит формирование галактик с разными типами темной материи, сравнивая результаты с реальными данными.
Новые телескопы и инструменты
Помимо обсерватории Веры Рубин, прорыв могут обеспечить:
- Космический телескоп «Евклид» (запущен в 2023), картографирующий распределение темной материи по гравитационным линзам.
- Радиотелескоп SKA (Square Kilometre Array), который изучит нейтральный водород в ранней Вселенной, чтобы отследить влияние темной материи на формирование первых галактик.
Post Scriptum
Темная материя остается одной из самых интригующих загадок науки. Несмотря на кризис стандартной модели, большинство ученых не спешат ее отвергать. Возможно, решение лежит в небольшой модификации CDM — добавлении новых свойств, которые не разрушат успехи прежней теории, но объяснят аномалии.
Как отмечает Марианджела Лизанти, даже незначительные изменения в рецепте темной материи могут радикально повлиять на структуру галактик. Это напоминает кулинарию: иногда щепотка неизвестной приправы превращает привычное блюдо в нечто неожиданное. Осталось найти ту самую «приправу» в космической кухне Вселенной.
Пока ответа нет, но ясно одно: темная материя, какой бы странной она ни оказалась, продолжает бросать вызов нашему пониманию реальности. И этот вызов ведет науку к новым открытиям.
-----
Если понравился материал и вы считаете его познавательным и стоящим вашего внимания, вы можете поддержать автора «трудовым рублем» по ссылке ниже 👇👇👇 либо нажать на кнопку «Поддержать» чуть ниже этого сообщения (с правой стороны).