Исследовательская группа из Университета науки и технологии Китая (USTC) сделала важное открытие, которое может изменить направление поиска темной материи. Их исследование, опубликованное в журнале Nature, предлагает новые модели формирования галактик в рамках теории лямбда-холодной темной материи (ΛCDM).
Исторически сложилось так, что массивные галактики служили основным объектом для обнаружения смещения гало под воздействием невидимой, но обладающей огромной массой темной материи. Предпочтения ученых были объяснимы более высокой светимостью больших галактик и их более эффективной наблюдаемостью с помощью таких инструментов, как Sloan Digital Sky Survey (SDSS). Напротив, карликовые галактики часто были недооценены в таких исследованиях из-за их низкой светимости и редкой выборки.
Исследовательская группа USTC обнаружила, что гало из темной материи карликовых галактик также демонстрируют смещение. Важно отметить, что на характеристики этого смещения практически не влияют неопределенности в оценках массы гало. Это позволяет предположить, что смещение структуры гало может быть более эффективно прослежено в карликовых галактиках по сравнению с их более массивными «сестрами».
В своем исследовании команда проанализировала выборку изолированных карликовых галактик из каталога SDSS и обнаружила, что диффузные (рассеянные) карликовые галактики демонстрируют неожиданно более высокую кластеризацию по сравнению с компактными карликовыми галактиками. Эта необычная картина пространственного распределения представляет собой фундаментальное противоречие с устоявшимися представлениями, полученными в результате исследований массивных галактик.
Используя собственный программно-аппаратный инструмент космологического моделирования ELUCID, исследователи пришли к выводу, что это парадоксальное явление связано со временем, которое прошло с момента формирования гало до момента наблюдения. Пространственное распределение диффузных карликовых галактик оказалось ассоциировано со старыми, реликтовыми гало, в то время как компактные карликовые галактики обладали более молодыми гало.
По мнению авторов этот результат устраняет критический разрыв между космологическим моделированием и эмпирической проверкой. Однако существующие модели формирования галактик в рамках парадигмы ΛCDM не в состоянии внятно объяснить связь рассеянных карликовых галактик и старых гало. Это подразумевает потенциальные противоречия между моделями формирования галактик с точки зрения барионной (видимой) материи и темной материи.
Чтобы устранить это несоответствие, исследовательская группа выдвинула гипотезу «самовзаимодействующей» темной материи (self-interacting dark matter, SIDM). Эта модель утверждает, что массивные частицы темной материи (WIMP) взаимодействуют друг с другом не только посредством гравитации, но и посредством слабых негравитационных связей. Эти взаимодействия вызывают структурное расширение темной материи и с течением времени ослабляют центральную гравитационную силу в старых гало, тем самым способствуя образованию диффузных карликовых галактик. Говоря простыми словами, чем старше карликовая галактика, тем дальше «растекается» в ней темная материя и тем больше смещение гало.
В молодых галактиках этот эффект проявляется слабее (или просто не успевает проявиться). В результате мы видим компактные структуры с незначительным смещением гало. Теория естественным образом объясняет наблюдаемую корреляцию «возраст гало — плотность галактик», предполагая, что природа темной материи может быть более сложной, чем мы думали до сих пор.
Рецензенты из Nature признали важность этой работы, отметив, что «это оригинальный, неожиданный и, следовательно, значимый результат. Проверка гипотезы о самодействии темной материи по кластеризации галактик — это новый подход, который может оказать долгосрочное воздействие на космологию и астрофизику».
Скептически настроенные участники научного сообщества в то же время отмечают, что новая теория звучит достаточно логично, но не более того. Пока поиски темной материи немного напоминают поиски черной кошки в темной комнате, причем не исключено, что кошки там вовсе нет.
