Тёмная материя «липнет» сама к себе? Новое свойство темной материи обнаружено в галактике SDSS J0946+1006

Представьте себе вещество, из которого состоит большая часть Вселенной, но которое упорно ускользает от всех наших попыток его «поймать». Это тёмная материя — невидимый дирижёр космического балета, чьё присутствие мы ощущаем лишь по гравитационному влиянию на звёзды и галактики. Долгое время мы считали её частицы эдакими космическими отшельниками, взаимодействующими с миром и друг с другом исключительно через силу тяготения. Но что, если эта картина слишком проста? Недавнее открытие, связанное с одной необычайно плотной далёкой галактикой, намекает на нечто совершенно иное: возможно, тёмная материя не так уж и «холодна» и одинока, а способна, образно говоря, «слипаться», открывая новую, совершенно неожиданную главу в нашем понимании устройства космоса.

Невидимый дирижёр Вселенной и его странности

Давайте на минутку освежим в памяти, почему учёные вообще так уверены в существовании чего-то, что нельзя увидеть. Всё началось с наблюдений за скоростью вращения галактик. Оказалось, что звёзды на их окраинах движутся гораздо быстрее, чем должны были бы, исходя из массы видимого вещества (звёзд, газа, пыли). Словно невидимый груз добавлял им инерции. Этот «груз» и назвали тёмной материей. Сегодня считается, что она составляет около 85% всей материи во Вселенной! Без неё галактики просто разлетелись бы, а наблюдаемая нами паутина космических структур никогда бы не сформировалась.

Стандартная модель, известная как ΛCDM (Лямбда-CDM), где Λ (лямбда) обозначает тёмную энергию, а CDM — Cold Dark Matter (холодная тёмная материя), довольно успешно описывает Вселенную в больших масштабах. «Холодная» в данном контексте означает, что её частицы движутся медленно по сравнению со скоростью света. Они, как предполагается, лениво плавают в пространстве, собираясь в гигантские, рыхлые облака, или гало, вокруг галактик. Эти гало мы «видим» косвенно — по тому, как их гравитация искривляет свет от более далёких объектов, проходящий рядом. Этот эффект называется гравитационным линзированием и служит одним из главных инструментов для картирования тёмной материи.

Но, как это часто бывает в науке, чем точнее наши инструменты и наблюдения, тем больше нюансов всплывает на поверхность. Астрономы стали замечать, что некоторые из этих тёмных гало выглядят… странно. Они кажутся собранными в более плотные комки, чем предсказывает модель, где частицы тёмной материи подобны бильярдным шарам, которые могут столкнуться только под действием гравитации.

Когда стандартная модель даёт трещину: Рождение идеи о «слипании»

Что, если частицы тёмной материи не такие уж и «асоциальные»? Что, если они, помимо гравитации, способны испытывать какое-то дополнительное взаимодействие друг с другом? Это предположение и легло в основу концепции самовзаимодействующей тёмной материи (Self-Interacting Dark Matter, или SIDM). Представьте, что частицы тёмной материи могут, образно говоря, «слипаться» или отталкиваться друг от друга, подобно тому, как обычные частицы взаимодействуют через электромагнитные или сильные ядерные силы, только в своём, тёмном секторе.

Эта идея не нова, и учёные уже находили косвенные намёки на её справедливость. Однако до сих пор было сложно «поймать её за руку» — найти такую систему, где эффекты самовзаимодействия проявлялись бы достаточно явно и однозначно. Ведь отличить гравитационное уплотнение от уплотнения, вызванного некими новыми силами, — задача не из лёгких, особенно когда имеешь дело с чем-то по определению невидимым.

Галактика-улика: SDSS J0946+1006 выходит на сцену

И вот здесь на сцену выходит галактика SDSS J0946+1006. Это не просто очередная далёкая звёздная система. Она оказалась в нужном месте и в нужное время, чтобы сыграть роль идеальной космической лаборатории. Дело в том, что SDSS J0946+1006 является мощной гравитационной линзой: её масса настолько велика, что она заметно искривляет свет от ещё более далёкой галактики, расположенной точно позади неё с нашей точки зрения. Это создаёт множественные, искажённые изображения фоновой галактики, и характер этих искажений напрямую зависит от того, как масса (включая тёмную материю) распределена в галактике-линзе.

Томас Коллетт из Портсмутского университета и его команда взяли данные, полученные космическим телескопом «Хаббл» для этой галактики, и применили к ним сложную статистическую модель. Что же они обнаружили? Распределение тёмной материи в SDSS J0946+1006 оказалось необычным. Её гало было не просто плотным, а необычайно плотным, причём максимальная концентрация наблюдалась точно в центре галактики. И это, как говорит Коллетт, «согласуется с предсказаниями некоторых моделей самовзаимодействующей тёмной материи».

Позвольте объяснить, почему это так важно. Стандартная холодная тёмная материя (CDM), взаимодействующая только гравитационно, имеет тенденцию образовывать гало с относительно пологим профилем плотности в центре. А вот если частицы тёмной материи могут «слипаться», теряя энергию при взаимодействиях, они будут оседать ближе к центру, формируя гораздо более компактное и плотное ядро. Именно такую картину, похоже, и наблюдают исследователи в SDSS J0946+1006.

Осторожный оптимизм и научный скепсис

Конечно, делать окончательные выводы пока рано. Как отмечает Эндрю Робертсон из Научного центра Карнеги, «если оценки плотности точны, это трудно объяснить стандартной холодной тёмной материей». Но он же добавляет, что самовзаимодействующая тёмная материя — лишь одно из правдоподобных объяснений. Наука требует воспроизводимости и исключения всех других возможностей.

Ричард Мэсси из Даремского университета настроен более восторженно: «Это невероятно захватывающе!» Он указывает, что это уже не первое наблюдение такого рода — есть и другие «подозрительно плотные» скопления тёмной материи. Возможно, тут играет роль так называемая «ошибка отбора» (selection bias): может быть, мы просто легче замечаем самые компактные и яркие (в смысле гравитационного линзирования) объекты, а на самом деле существует целый спектр плотностей. Но есть и шанс, что это действительно «первые намёки на то, что тёмная материя способна на нечто большее, чем просто гравитационное взаимодействие».

Новая глава в космической саге?

Так что же, мы на пороге пересмотра нашего понимания одной из величайших загадок Вселенной? Возможно. Открытие, сделанное на примере галактики SDSS J0946+1006, — это ещё один важный пазл в сложной картине тёмной материи. Если последующие наблюдения и теоретические работы подтвердят, что тёмная материя действительно «липкая», это откроет совершенно новые горизонты в физике частиц. Появится целый новый сектор взаимодействий, о котором мы раньше и не подозревали. Это может помочь объяснить не только структуру галактических гало, но и другие аномалии, которые не вписываются в стандартную космологическую модель.

Пока ясно одно: охота за природой тёмной материи продолжается, и каждое новое наблюдение, подобное этому, делает её всё более увлекательной. И кто знает, какие ещё сюрпризы готовит нам эта невидимая, но вездесущая субстанция, из которой, по большей части, и состоит наша Вселенная. Честно говоря, это одна из тех историй, за развитием которой следить будет невероятно интересно.