У центрі спіральних галактик, як тих, що лежать близько до Землі, так і тих, що містяться на відстані мільярдів світлових років, є величезна сферична зона з частинок темної матерії. Ця зона має дві визначальні характеристики: по-перше, густина темної матерії в ній до певного радіусу постійна, а, по-друге, ця зона розширюється з часом і при цьому густина матерії зменшується. Це вказує на існування прямої взаємодії між елементарними частинками, які утворюють гало темної матерії, і частинками звичайної матерії — протонами, електронами, нейтронами і фотонами.
Автори нового дослідження зазначають, що ця гіпотеза прямо суперечить наявній теорії, яку астрономи і фізики використовують для опису Всесвіту (її назва — модель лямбда-холодної темної матерії, Lambda-Cold Dark Matter, Lambda-CDM). У цій космологічній моделі частинки холодної темної матерії інертні, тобто взаємодіють зі звичайною речовиною тільки через гравітацію.
Результати дослідження, в якому було вивчено велику кількість далеких галактик, віддалених приблизно на 7 мільярдів світлових років, оприлюднив журнал Astronomy and Astrophysics. Нова робота, виконана Ґаурі Шармою (Gauri Sharma) і Паоло Салуччі (Paolo Salucci) з Міжнародної школи передових досліджень (International School of Advanced Studies, SISSA) в Італії разом з Гленом Ван де Веном (Glen Van de Ven) з Віденського університету, дає змогу по-новому поглянути на одну з найбільших загадок сучасної фізики.
За словами авторів, їхнє дослідження — це крок вперед у розумінні темної матерії, невловимої субстанції в нашому всесвіті. Її існування, зважаючи на гравітаційний вплив, який вона чинить на небесні тіла і який спостерігають астрономи, прийнято в теорії, але прямо її досі не вдалося зареєструвати. Хоча з цією метою виконано багато цілеспрямованих астрофізичних спостережень, а також фізичних експериментів у спеціальних підземних лабораторіях.
Вивчення темної матерії в далеких галактиках
Темна матерія становить приблизно 84% маси Всесвіту: «Її важливу роль в галактиках видно по тому, що зорі та газоподібний водень рухаються так, ніби ними керує невидимий елемент», — пояснює Ґаурі Шарма. До цього часу спроби його вивчення зосереджувалися на близьких до нас галактиках: «Однак у цьому дослідженні, — пояснює вона, — ми вперше прагнули спостерігати і визначити розподіл маси спіральних галактик з тією ж морфологією, що і в близьких, але які лежать набагато далі, тобто раніше в часі приблизно на сім мільярдів років. Ідея по суті полягає в тому, що ці пращури спіральних галактик, таких як наша, можуть вказати на фундаментальні підказки щодо природи частинки, яка є носієм темної матерії.» Паоло Салуччі додав: «Вивчаючи рух зір майже в 300 віддалених галактиках, ми виявили — ці об’єкти також мають гало темної матерії, і що, починаючи з центру галактики, це гало фактично має зону, де густина темної матерії постійна». Цю особливість вже помічали в раніше виконаних дослідженнях, що вивчали сусідні галактики. Деякі з них були виконані в SISSA.
Однак нове дослідження показало, що в цьому центральному регіоні було щось абсолютно несподіване в контексті так званої «стандартної моделі космології». Шарма зауважила: «Завдяки контрасту між властивостями близьких і далеких спіральних галактик, тобто між нинішніми галактиками та їхніми предками сім мільярдів років тому, ми змогли побачити, що існує не тільки незрозуміла зона з постійною густиною темної матерії, але також і те, що її розміри з часом збільшуються, ніби відбувається процес постійного розширення та розрідження». Цей факт дуже важко пояснити, якщо частинки темної матерії не взаємодіють, як це прийнято в моделі Lambda-CDM. Шарма сказала, що в їхньому дослідженні вони виявили «докази прямої взаємодії між темною матерією та звичайною матерією, яка з часом повільно спричиняє утворення зони постійної густини темної матерії від центру галактики назовні».
Нове дослідження, виконане науковцями з Міжнародної школи передових досліджень (International School of Advanced Studies, SISSA) припускає, що в центрі спіральних галактик є величезна сферична зона з частинок темної матерії, де відбувається пряма взаємодія між елементарними частинками, які утворюють гало темної матерії, і частинками звичайної матерії. Автор малюнка Buddy_Nath на Pixabay. Фото з сайту https://phys.org.
«Дивно, але вищезгаданий регіон із постійною густиною з часом розширюється. Це дуже повільний процес, але невблаганний», — стверджує Салуччі. Одне з можливих пояснень? «Найпростішим є те, що спочатку, коли утворилася галактика, розподіл темної матерії у сферичному гало був таким, який має бути згідно з теорією Лямбда-CDM, з максимумом густини в центрі. Згодом відбувається формування диска галактики, що характеризує спіральні галактики, який оточує дуже щільне гало з частинок темної матерії. Минав час, ефект взаємодії, про який ми говоримо, привів до того, що частинки були захоплені зорями або викинуті до зовнішніх меж галактики». Цей процес спричиняє утворення сферичної зони постійної густини в гало темної матерії. Розміри зони пропорційно збільшуються з часом і, нарешті, досягнуть розмірів галактичного зоряного диска, як описано в статті в Astronomy and Astrophysics. «Результати дослідження ставлять важливі питання для альтернативних сценаріїв, які описують природу частинки темної матерії (крім Лямбда-CDM), таких як тепла темна матерія (Warm Dark Matter), темна матерія самовзаємодії (Self-Interacting Dark Matter) та надлегка темна матерія (Ultra Light Dark Matter)», — наголосила Шарма.
«Ці моделі також мають врахувати чітку еволюцію з часом, зареєстровану у вищезгаданому регіоні. Властивості дуже віддалених галактик у просторі та часі пропонують космологам справжні ворота 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 найелегантніший, простий і очікуваний, як розширення давно перевірених теорій, — а скоріше через «потворний» сценарій, визначений неелегантною та складною феноменологією спостереження, із знехтуваної фізичної теорії, яка абсолютно не пов’язана з тими, що нам знайомі», — зауважив Салуччі.
За інф. з сайту https://phys.org підготував Іван Крячко
