Может ли темная энергия «питаться» темной материей? Как этот процесс меняет форму гало галактик

Космология находится в кризисе. Это не преувеличение для завлекающего лида, а констатация факта, с которым физики живут последние несколько лет. У нас есть Стандартная модель (ΛCDM), которая отлично описывала Вселенную десятилетиями. Но сегодня точные измерения показывают расхождения, которые невозможно игнорировать.

Главная проблема — «напряжение Хаббла». Измерения скорости расширения Вселенной по ранним данным (реликтовое излучение) и по поздним данным (сверхновые звезды) дают разные результаты. Цифры не сходятся. Либо наши приборы врут, либо мы фундаментально не понимаем, как работает гравитация и энергия на космологических масштабах.

Новое исследование группы астрофизиков из ETH Zurich и Китайской академии наук предлагает решение. Что, если два главных компонента Вселенной — темная материя и темная энергия — не изолированы друг от друга? Что, если они обмениваются массой?

Что такое модель взаимодействующей темной энергии?

В классической модели ΛCDM темная энергия — это космологическая константа. Она неизменна. Темная материя — это гравитирующая масса, которая просто существует и собирает галактики в кучи. Они существуют параллельно, влияя друг на друга только через расширение пространства.

Модели взаимодействующей темной энергии (Interacting Dark Energy, IDE) предполагают, что между этими компонентами идет прямой обмен энергией-импульсом. Исследователи смоделировали два сценария:

1. IDE I: Темная материя распадается и превращается в темную энергию. Масса частиц темной материи со временем уменьшается.
2. IDE II: Темная энергия переходит в темную материю. Масса частиц растет, гравитация усиливается.

Это влияет на всё: от скорости расширения Вселенной до того, как формируются структуры галактик.

Как гравитация меняет форму невидимого?

Ученые не могут наблюдать этот обмен напрямую. Но они могут увидеть его последствия через компьютерную симуляцию N-тел. Они использовали код ME-GADGET, чтобы создать виртуальную Вселенную и посмотреть, как ведут себя гало темной материи — гигантские сгустки невидимого вещества, внутри которых располагаются видимые галактики.

Фокус исследования — на ориентации и вращении этих гало относительно приливного поля.

Приливное поле — это градиент гравитационной силы. Оно возникает из-за неравномерного распределения массы во Вселенной. Именно это поле растягивает гало и заставляет их вращаться. Симуляция показала четкую зависимость поведения гало от выбранной модели взаимодействия.

В модели IDE I (где материя исчезает): Гало теряют массу. Их гравитационная связь ослабевает. Они становятся менее плотными и более «рыхлыми». Из-за этого приливные силы окружающей Вселенной легче деформируют их. Результат: форма гало сильнее вытягивается вдоль линий приливного поля. Однако их вращение (спин) при этом стремится быть перпендикулярным этому полю.

В модели IDE II (где материя прибывает): Здесь происходит обратный процесс. Гало набирают массу, становятся компактнее и плотнее. Они лучше сопротивляются внешнему влиянию. Их форма меньше зависит от окружения, а спин ведет себя иначе, чем в сценарии с распадом.

Зачем нам знать, куда вращается гало?

Здесь возникает вопрос: какое нам дело до того, как повернут сгусток невидимой материи в компьютерной симуляции?

Дело в слабом гравитационном линзировании.

Астрономы изучают структуру Вселенной, наблюдая, как гравитация массивных объектов искривляет свет от далеких галактик. Это основной инструмент будущих телескопов, таких как строящийся китайский космический телескоп CSST. Чтобы эти измерения были точными, нужно исключить систематические ошибки.

Одна из главных ошибок — «собственное выравнивание». Галактики физически ориентируются под действием гравитации окружающих структур. Если мы не знаем точных законов этого выравнивания, мы можем спутать физический поворот галактики с эффектом искривления света. Это испортит все данные.

Что это меняет для будущих наблюдений?

Исследование показало: если мы будем использовать формулы классической модели ΛCDM для обработки данных будущих телескопов, а Вселенная на самом деле работает по принципам IDE, наши карты будут с ошибками.

Авторы работы вывели новые математические функции, описывающие, как гало выравниваются в моделях с обменом энергией.

• Если темная материя распадается, сигнал выравнивания формы усиливается.
• Если темная энергия превращается в материю, сигнал ослабевает.

Мы пытаемся измерить свойства Вселенной с точностью до долей процента. Без понимания того, как поворачиваются гало темной материи в различных сценариях физики, мы рискуем получить бессмысленный набор данных вместо решения проблемы расширения Вселенной.

Теперь у нас есть математический аппарат, чтобы отличить одну модель от другой, когда поступят реальные данные с орбитальных телескопов.

Источник: arXiv