Далекое сверхскопление галактик указывает на самовзаимодействие темной материи

Фото из открытых источников

В семи миллиардах световых лет от Земли находится неожиданное скопление галактик. Оно состоит из двух областей, находящихся в процессе столкновения друг с другом, общая масса которых превышает два квадриллиона солнечных масс. Учитывая его массу, это далёкое скопление получило прозвище Эль-Гордо, или «Толстяк». Его необычность заключается в том, что оно чрезвычайно велико для того периода Вселенной. 

Как такое большое сверхскопление образовалось так рано? Эль-Гордо настолько удивительно, что некоторые астрономы рассматривают его как контрпример к стандартной модели космологии. Трудно объяснить, как холодная тёмная материя в инфляционной Вселенной могла так быстро породить большое сверхскопление. Новое исследование, опубликованное в The Astrophysical Journal, рассматривает, как самовзаимодействующая тёмная материя может всё это объяснить.

Темная материя составляет основную массу космоса. Она практически не взаимодействует со светом, отсюда и название. Это также означает, что темная материя не взаимодействует сильно с обычной материей, поскольку большинство взаимодействий материи носят электромагнитный характер. Однако один из ключевых вопросов заключается в том, может ли темная материя сильно взаимодействовать сама с собой.

Наиболее популярная точка зрения заключается в том, что темная материя не взаимодействует сама с собой. Это объясняется тем, что наблюдения показывают, что темная материя в основном холодная, а значит, частицы темной материи не обладают большой кинетической энергией. Если бы частицы темной материи могли сталкиваться друг с другом, они оставались бы теплыми, подобно тому, как обычная материя нагревается при столкновении. Самовзаимодействующая темная материя (SIDM) могла бы создать раннее сверхскопление, подобное Эль-Гордо, но она также произвела бы много теплой темной материи.

Для решения этой проблемы в новом исследовании предлагается двухстадийное взаимодействие темной материи. Обычная материя взаимодействует в основном посредством упругих столкновений. Например, молекулы воздуха в вашей комнате, как правило, отскакивают друг от друга, не теряя при этом много энергии. Именно поэтому температура в вашей комнате может оставаться постоянной. Если бы столкновения были неупругими, с потерей энергии при каждом отскоке, то ваша комната быстро бы замерзла. Большинство моделей SIDM предполагают аналогичное упругое взаимодействие. Немного изменив взаимодействие, можно ускорить кластеризацию галактик, не перегревая при этом темную материю. Результаты этого подхода неоднозначны.

Автор исследования Риккардо Вальдарнини рассматривает модель темной материи, имеющую основное и возбужденное состояния. В этой двухсостоятельной модели большинство взаимодействий будут упругими, как и в обычной материи. Но при наличии соответствующей энергии столкновение может перевести частицу темной материи в возбужденное состояние, тем самым лишив ее кинетической энергии. Затем частицы темной материи могут группироваться и одновременно охлаждаться.

На основе N-частичных симуляций сталкивающихся областей Эль-Гордо, двухсостоятельная модель SIDM с упругими и неупругими столкновениями наилучшим образом соответствует наблюдаемым данным. Она обеспечивает лучшее соответствие, чем модели с невзаимодействующими и только упругими взаимодействиями. Однако остается некоторая неопределенность относительно точной массы Эль-Гордо и скорости столкновения двух областей. Если масса сверхскопления находится в нижней части этого диапазона, то двухсостоятельная модель не будет соответствовать данным. Таким образом, это возможное решение, но не окончательное.

Пока мы не увидим частицы темной материи напрямую, перед нами открываются самые разные возможности. Как показывает это исследование, темная материя может быть сложнее, чем мы думали.