Механика Вселенной. Ученые из Гонконга опубликовали сенсационное исследование о природе темной материи

Как найти темную материю?

Концепция темной материи была впервые предложена швейцарским астрономом Фрицем Цвикки в 1930-х годах.

Цвикки изучал движение галактик в скоплении Кома и обнаружил, что массы видимой материи в галактиках недостаточно для объяснения наблюдаемых движений.

Он предположил, что должна существовать дополнительная «темная» материя, которая обеспечивает недостающую гравитационную силу.

Однако только в 1970−80-х годах, когда другие астрономы начали изучать вращение галактик и крупномасштабную структуру Вселенной, доказательства существования темной материи получили более широкое признание.

Причина, по которой мы считаем, что темная материя существует, заключается в том, что мы можем наблюдать влияние ее гравитации на поведение галактик. В частности, темная материя составляет около 85 процентов массы Вселенной, и большинство далеких галактик, которые мы можем наблюдать, как будто окружены ореолом из этой загадочной субстанции.

Но она называется темной материей, потому что не излучает свет, не поглощает и не отражает его, что делает ее невероятно сложной для обнаружения.

Так что же это за вещество? Мы думаем, что это, должно быть, какая-то неизвестная фундаментальная частица, но дальше мы не уверены. Все попытки обнаружить частицы темной материи в лабораторных экспериментах до сих пор не увенчались успехом, и физики уже несколько десятилетий спорят о ее природе.

Теперь же новое исследование Альфреда Амрута из Университета Гонконга и его коллег, опубликованное в журнале Nature Astronomy, показало, что анализ гравитационного изгибания света может приблизить нас к пониманию природы темной материи.

Что такое гравитационное линзирование и причем тут темная материя?

Ранее исследователи пришли к двум возможным кандидатам на роль частиц для темной материи.

Первым являются относительно тяжелые частицы, называемые слабо взаимодействующими массивными частицами (WIMPs). Вторые — это чрезвычайно легкие частицы, называемые аксионами.

С точки зрения теоретической физики WIMPs должны вести себя как дискретные частицы, в то время как аксионы будут вести себя гораздо больше как волны из-за квантовой интерференции.

До сих пор все это оставалось лишь теорией.

Но теперь свет, изгибающийся вокруг далеких галактик, дал подсказку.

Амрут и его коллеги использовали гравитационное линзирование и кольца Эйнштейна для того, чтобы определить природу частиц темной материи.

Здесь требуется небольшое «лирическое отступление».

Когда свет, путешествующий по Вселенной, проходит мимо массивного объекта, такого как галактика, его путь искривляется. Этот эффект был описан в Общей теории относительности Альберта Эйнштейна, поскольку гравитация массивного объекта искажает пространство и время вокруг себя.

Как следствие, когда мы смотрим на далекую галактику, мы видим искаженные изображения других галактик за ней.

Если предположить, что галактики расположены симметрично одна за другой, то свет от фоновой галактики будет размазан по кругу вокруг более близкой галактики.

Такое искажение света называется «гравитационным линзированием». Соответственно, круги, которые оно может создавать, называются «кольцами Эйнштейна».

Амрут и его команда изучали, как искажаются кольца или другие линзированные изображения, чтобы понять свойствах ореола темной материи, окружающего более близкую галактику.

Ученые рассмотрели несколько систем, в которых несколько копий одного и того же фонового объекта были видны вокруг передней линзирующей галактики, уделив особое внимание одной из них под названием HS 0810+2554.

Они создали компьютерные модели, которые предсказывали, как искажались бы изображения, если бы темная материя состояла из WIMPs, и как они искажались бы, если бы темная материя состояла из аксионов.

Затем ученые сравнивали полученные изображения реального космоса со своими моделями.

В итоге исследователи пришли к выводу, что частицы WIMP не годятся на роль гипотетической темной материи. А вот модель аксионов точно воспроизводит все особенности системы.

Результат говорит о том, что аксионы являются более вероятным кандидатом на роль темной материи, заключают исследователи. По их словам способность модели аксионов объяснить аномалии линзирования и другие астрофизические наблюдения просто невероятна.

Амрут и его коллеги не спешат ставить точку в вопросе о природе темной материи.

Предстоит еще множество исследований, которые позволят понять волнообразную природу аксионов, а возможно даже измерить их массу, констатируют авторы исследования.