Ранее считалось, что темная материя состоит из особых невидимых «холодных» частиц – вимпов. Однако недавнее открытие, сделанное астрономами, представляет собой крупномасштабное явление, которое не согласуется с этой теорией. В то же время, гипотезы, предлагающие альтернативные объяснения, получили дополнительную поддержку.
На протяжении последних десятилетий Лямбда-CDM (ΛCDM) служила основной космологической моделью, где CDM обозначает холодную темную материю. Согласно этой модели, влияние темной материи на галактики и другие структуры объясняется тем, что она состоит из невидимых частиц, пока не обнаруженных, которые взаимодействуют с обычной материей исключительно посредством гравитационного взаимодействия.
У этой модели уже несколько лет, как возникают серьезные несоответствия: она демонстрирует плохую согласованность с современными астрономическими данными. К таким расхождениям относится и столкновение в скоплении галактик Пуля, свет от которого шел до Земли 3,7 миллиарда лет.
Суть в том, что темная материя, состоящая из пока неизвестных частиц, не может быть полностью лишена взаимодействия между собой. Если частицы темной материи все же взаимодействуют, то столкновения галактик, каждая из которых окружена массивным гало из темной материи, должны приводить к заметному замедлению из-за трения. Вероятность того, что скопления галактик могут сталкиваться с параметрами Пули, относительно невелика. Поэтому еще в 2015 году несколько исследователей указали на то, что обнаружение других скоплений с аналогично высокой скоростью столкновения может поставить под сомнение теорию холодной темной материи, состоящей из вимпов.
Внимание астрофизиков привлекла ситуация, связанная с Эль-Гордо («Толстяк») — крупным скоплением галактик, свет от которого достиг Земли семь миллиардов лет. Международная группа исследователей опубликовала в The Astrophysical Journal работу с подробным разбором ситуации с «Толстяком».
Ранее авторы уже обращались к оценке согласованности «Толстяка» с моделью ΛCDM, однако эти попытки были ограничены недостаточной точностью данных, касающихся как массы скопления, образованного двумя сливающимися субскоплениями, так и скорости их слияния. Новое исследование основано на актуализированных данных: в частности, масса «Толстяка» была уточнена до 2,1 квадриллиона масс Солнца благодаря анализу слабого искажения им света более отдаленных галактик.
Для оценки возможности соответствия такой концентрации вещества и скорости его сближения с моделью ΛCDM, физики разработали несколько подходов, основанных на ΛCDM и направленных на создание скопления галактик, имитирующего характеристики Эль-Гордо. Однако, результаты показали, что это задача крайне сложна.
Скорость столкновения фрагментов астероида Эль-Гордо составляет более 2500 километров в секунду. При этом, уже при скорости соударения в 2300 километров в секунду статистическая значимость расхождения между характеристиками «Толстяка» и моделью ΛCDM достигает пяти сигм.
Другими словами, вероятность существования Эль-Гордо во Вселенной, где действует модель ΛCDM, составляет менее 0,0001% при скорости в 2300 километров в секунду. Этот показатель крайне низок: в физике принято считать, что статистически достоверным является уровень в пять сигм. Для скоростей, наблюдаемых в реальности (напомним, они превышают 2500 километров в секунду), статистическая значимость этого вывода ещё более высока. Таким образом, реальное существование Эль-Гордо противоречит модели ΛCDM на уровне, превышающем пять сигм.
Не только высокая скорость столкновения представляет собой проблему. Сам факт существования столь крупного скопления галактик во Вселенной семь миллиардов лет назад также противоречит современным теориям о природе темной материи. Эти теории предполагают, что сначала формируются галактики, затем их скопления, а уже потом, спустя значительное количество времени, возникают особо массивные образования, такие как «Толстяк». Его формирование в столь ранний период кажется маловероятным.
Ранее Naked Science описывал ряд других проблем теории вимпов, которыми долго объясняли темную материю. Там же мы затрагивали наиболее вероятное альтернативное объяснение ситуации с темной материей — гипотезу Николая Горькавого, согласно которой она состоит из компактных шаровых скоплений черных дыр средних масс, следы которых массово обнаруживает обсерватория LIGO. В 2023 году упомянутый физик выпустил книгу «Осциллирующая Вселенная», в которой подробно рассматривается, как новые представления о природе темной материи трансформируют наши космологические взгляды на устройство Вселенной.