Ученые делают предположения о наличии темной материи, основываясь на косвенных признаках: она проявляет себя через гравитационное воздействие на обычную материю. Недавно астрономы обнаружили первые свидетельства того, что эта загадочная субстанция может обладать необычной структурой: возможно, она обладает способностью к самоагрегации. Отправной точкой для новой гипотезы стала удаленная система гравитационных линз, аномальная плотность которой не соответствует общепринятым космическим моделям. В случае подтверждения этой гипотезы, человечеству потребуется пересмотреть основополагающие представления о структуре Вселенной.
Темная материя — загадочное нечто, которое не излучает свет, не отражает его и не взаимодействует непосредственно с другими частицами, поэтому обнаружить его с помощью специальных приборов затруднительно. Считается, что на ее долю приходится примерно 26,8 % от всей энергии-массы Вселенной. Она необходима для объяснения нестыковок в поведении физических тел. В частности, так объясняют проблемы скрытой массы в эффектах аномально высокой скорости вращения внешних областей галактик.
В современной стандартной космологической модели темную материю рассматривают в форме так называемой холодной темной материи — частиц, которые обладают крайне низкой скоростью по сравнению со скоростью света и слабо взаимодействуют с обычным веществом, в основном посредством гравитации. Эти частицы формируют малоплотные «рыхлые структуры», известные как темные гало, и окружают галактики, удерживая вместе звезды, газ и пыль. Изучение таких структур осуществлялось лишь опосредованно, посредством наблюдения за тем, как их гравитация искривляет свет отдаленных объектов — явление, известное как гравитационное линзирование.
В последние годы астрономы стали отмечать расхождения. Некоторые гало темной материи оказались более плотными, чем показывали расчеты. Это заставило ученых задуматься: возможно ли, что темная материя взаимодействует с самой собой, формируя более компактные структуры? Гипотеза «липкой» темной материи, этот тип материи, способный к самовзаимодействию, рассматривается как наиболее вероятное объяснение выявленных аномалий.
Команда британских астрономов во главе с Томасом Коллеттом ( Thomas Collett) из Портсмутского университета изучила объект SDSS J0946+1006 — сложную систему гравитационных линз, включающую три галактики, свет от которых достиг Земли за три, шесть и 11 миллиардов лет. Ученые зафиксировали необычные явления.
SDSS J0946+1006 действует как гравитационная линза, искривляя свет от расположенных за ней объектов благодаря своей силе тяжести. Используя данные, полученные с помощью космического телескопа «Хаббл», ученые смогли определить массу системы и создать карту распределения массы внутри нее. Результаты анализа выявили, что темная материя в SDSS J0946+1006 сконцентрирована в темном гало значительно большей плотности, чем предсказывали существующие модели холодной темной материи.
«Результаты исследования соответствуют прогнозам, сделанным на основе моделей самовзаимодействующей темной материи. Согласно этим моделям, частицы темной материи, помимо гравитационного притяжения, способны к взаимодействию, приводящему к образованию плотных ядер в центрах галактик», — пояснил Коллетт.
Новая концепция несовместима с теорией «холодной темной материи», являющейся стандартной моделью. Согласно ей, частицы этой гипотетической субстанции практически не взаимодействуют между собой (за исключением гравитационного взаимодействия) и должны формировать более разреженные и менее плотные гало. Обнаруженное плотное гало в SDSS J0946+1006 указывает на то, что темная материя может «склеиваться», подобно мокрому песку, а не рассеиваться, как сухой.
В большинстве случаев, когда галактика действует как гравитационная линза, ее гравитация приводит к появлению нескольких искаженных или раздвоенных изображений объектов, находящихся за ней (подобно тому, как если бы мы смотрели через вогнутое стекло). Однако в SDSS J0946+1006 наблюдалось нечто необычное: свет от расположенных за ней объектов искривился симметрично, сформировав отчетливое кольцо вокруг галактики – так называемое «кольцо Эйнштейна». Благодаря этому стало возможным с высокой точностью определить распределение темной материи.
Британский астроном Ричард Мейси (Richard Massey) исследователь из Даремского университета оценил полученные данные как «невероятно важные». Ранее ученые уже выявляли галактики, содержащие следы гипотетической темной материи, сконцентрированной в слишком плотных образованиях, что противоречило ожиданиям. Теперь подобных случаев зафиксировано больше. Возможно, ученые стали чаще обнаруживать именно эти «компактные» скопления, поскольку они более заметны.
Мейси высказал предположение о том, что взаимодействия темной материи могут быть не только гравитационными. Возможно, она проявляет себя и другими способами: частицы этой невидимой субстанции могут сталкиваться, объединяться или генерировать новые силы, которые пока неизвестны ученым.
Обнаружение в SDSS J0946+1006 предоставляет дополнительные доказательства в пользу гипотезы о «липкой» темной материи. Подтверждение этой гипотезы повлечет за собой необходимость пересмотра общепринятой космологической модели. Дальнейшие исследования включают наблюдения за другими галактиками с использованием передовых космических телескопов, таких как «Джеймс Уэбб». Предстоит проведение дополнительных проверок и расчетов. Однако уже сейчас очевидно: темная материя может быть гораздо сложнее, чем предполагалось ранее.
Ранее Naked Science сообщала о гипотезе, согласно которой темная материя, по мнению некоторых астрофизиков, не состоит из частиц, а представляет собой плотные скопления реликтовых черных дыр. В таком случае она способна формировать сверхкомпактные образования, аналогичные тем, что наблюдаются. Сторонники этой гипотезы предсказывают обнаружение подобных структур, например, плотного гало в SDSS J0946+1006 сделали еще несколько лет назад.
Научная работа опубликована в Ссылка на публикацию: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.