Мы привыкли к мысли, что астрономы давно «разобрались» с устройством Вселенной: есть обычное вещество, есть загадочная тёмная материя, которая честно держит галактики от развала, и всё это более‑менее укладывается в уравнения. Но иногда телескопы ловят такие вещи, которые выбивают стул из‑под всей аккуратной космологической картины. Так произошло с объектом, который обнаружили не напрямую, а по тому, как он искривляет свет далёкой галактики. Масса — как у миллионов солнц, света — ноль, а поведение не похоже ни на одну привычную нам структуру.
Для физиков это как найти в архиве инженерных чертежей деталь, под которую нет ни одного станка: явно что‑то реальное, но изготовить в рамках старой технологии невозможно. И вот уже вопрос звучит не «что это за объект», а «не пора ли пересматривать саму природу тёмной материи — того самого «скелета», на котором держится Вселенная?».
Что не так с тёмной материей
По нынешним оценкам, на долю тёмной материи приходится около 85% всего вещества во Вселенной — без неё галактики и звёзды просто не успели бы сформироваться в те сроки, которые мы видим по наблюдениям. Тем не менее мы до сих пор не знаем, из чего она состоит: она не светится, не отражает свет и проявляет себя только гравитацией. Долгие годы фаворитом была модель «холодной тёмной материи» — неких массивных частиц (вимпов), которые почти ни с чем не взаимодействуют, кроме гравитации.
Однако по мере накопления точных наблюдений эта картина начала давать трещины. Один из знаменитых примеров — скопление галактик Пуля, где распределение массы и поведение вещества при столкновении не слишком похоже на то, что предсказывают простые модели «частичной» тёмной материи. На этом фоне учёные естественно ищут любые объекты, по которым можно проверить, насколько наши теории вообще работают в реальной Вселенной. Новый странный объект как раз из таких «тестов на прочность».
Гравитационная линза, которая выдала «невидимку»
Главный герой истории — карликовая эллиптическая галактика с индексом JVAS B1938+666, находящаяся примерно в 12,1 млрд световых лет от нас. Она интересна тем, что выступает мощной гравитационной линзой: её масса искривляет пространство, и свет ещё более далёкой галактики, находящейся за ней, для нас усиливается и искажается. В таких системах астрономы буквально читают «карты гравитации» по тому, как выглядят светлые дуги и кольца.
При внимательном анализе оказалось, что картина линзирования здесь слишком сложна, чтобы её объяснила только видимая масса галактики. Моделирование показало: в районе первой линзы «сидит» дополнительный массивный объект, который и вносит свой вклад в искажение света. По оценкам, его гравитационное влияние соответствует массе порядка трёх миллионов солнц, а характер линзирования говорит о том, что плотность резко падает за границей примерно в 460 световых лет от центра. При этом никакого видимого излучения из этой области не приходит.
Портрет загадочного объекта
Из анализа линзирования следует, что объект устроен как компактное «ядро» плюс более разреженный «диск», обращённый к нам, и всё это полностью невидимо в электромагнитном диапазоне. Лучшее совпадение с наблюдениями даёт модель, где в центре находится очень плотная концентрация массы радиусом чуть больше 30 световых лет и суммарной массой порядка трёх миллионов солнечных.
На первый взгляд кажется логичным предположить, что в центре может скрываться чёрная дыра или плотное шаровое скопление звёзд. Но тут начинается главный парадокс. Обычное шаровое скопление такого масштаба неизбежно давало бы заметное излучение, а здесь его нет. Вариант «чёрная дыра плюс гало из тёмной материи» тоже плохо стыкуется с популярными моделями «холодной» и «тёплой» тёмной материи, потому что в них такие структуры либо нестабильны, либо должны вести себя иначе.
Именно это несоответствие и заставило авторов работы заявить, что объект «несовместим» с привычными сценариями тёмной материи — хотя, разумеется, речь не о полном крахе всех моделей, а о том, что в рамках стандартных допущений его трудно объяснить.
Самовзаимодействующая материя или «тёмные скопления»?
Чтобы выйти из тупика, исследователи обратились к более экзотической гипотезе — так называемой самовзаимодействующей тёмной материи. В этих моделях частицы тёмной материи не просто гравитационно притягиваются, но и взаимодействуют друг с другом достаточно сильно, чтобы формировать более сложные структуры, вплоть до чёрных дыр в центре «тёмных» гало. Тогда загадочный объект можно попытаться представить как некий «комок» такой матрицы.
Но и здесь всё не так просто: самовзаимодействующие модели в ряде случаев плохо сочетаются с теми же наблюдениями за скоплением Пуля, где сильное взаимодействие тёмной компоненты, наоборот, почти не заметно. То есть каждая попытка объяснить новый объект через одну из существующих версий тёмной материи вынуждена расплачиваться проблемами в других местах.
Отдельная линия обсуждения — гипотезы о «тёмных шаровых скоплениях» реликтовых чёрных дыр. Ещё в конце 2010‑х годов выдвигалась идея, что тёмная материя может быть не частицами, а множеством первичных чёрных дыр, сгруппированных в скопления радиусом десятки световых лет и массой до миллиона солнечных. По размерам и массе центральные параметры нового объекта подозрительно близки к таким расчётам, хотя прямого доказательства пока нет.
Если этот сценарий верен, мы имеем дело с одним из первых наблюдений действительно «тёмного» шарового скопления — структуры, целиком состоящей из невидимых чёрных дыр. У такого подхода есть плюс: он снимает необходимость вводить новые частицы и облегчает объяснение тех же проблем с взаимодействием в крупномасштабных структурах. Но, как и любая смелая гипотеза, он потребует серьёзной проверки.
Что будет дальше
Ключ к разгадке ищут в совершенно другой области наблюдений — в гравитационных волнах. Если в центральных областях таких «тёмных скоплений» действительно роятся чёрные дыры массой в несколько солнц, их слияния должны давать характерные сигналы, на которые будут чувствительны будущие детекторы нового поколения. Тогда можно будет не только подтвердить существование подобных объектов, но и оценить, какую долю тёмной материи они составляют.
Для инженера или технаря во всей этой истории особенно знакомым выглядит сам подход. Есть рабочая модель системы — как чертёж сложной установки. Она отлично описывает подавляющее большинство наблюдений. Но появляется один эксперимент, один «аномальный» объект, который не удаётся встроить в старый чертёж без грубых натяжек. В промышленности это повод искать забытый допуск, скрытую трещину или неучтённый фактор среды. В космологии — повод задать неудобный вопрос самой теории: не упрощали ли мы реальную «конструкцию» Вселенной слишком сильно?
Наблюдение JVAS B1938+666 не рушит нашу картину мира, но делает её менее комфортной и более интересной. Тёмная материя перестаёт быть абстрактной «маской» в уравнениях и начинает проявляться в виде конкретных, странных объектов, под которые придётся либо переосмыслить свойства невидимого вещества, либо признать, что Вселенная любит более сложные решения, чем мы привыкли ей приписывать.
Вопрос вам
Лично вам ближе идея тёмной материи как набора частиц или как «архитектуры» из чёрных дыр и компактных объектов, и почему?
Пишите ваши ответы и размышления в комментариях — особенно интересно, какие версии кажутся вам самыми правдоподобными и почему.