Механіка Всесвіту. Науковці з Гонконгу опублікували сенсаційне дослідження про природу темної матерії

Як знайти темну матерію?

Концепцію темної матерії було вперше запропоновано швейцарським астрономом Фріцем Цвіккі у 1930-х роках.

Цвіккі вивчав рух галактик у скупченні Кома і виявив, що маси видимої матерії в галактиках недостатньо для пояснення рухів, що спостерігаються.

Він вважав, що має бути додаткова «темна» матерія, яка забезпечує недостатню гравітаційну силу.

Однак лише в 1970—1980-х роках, коли інші астрономи почали вивчати обертання галактик та великомасштабну структуру Всесвіту, докази існування темної матерії отримали ширше визнання.

Причина, через яку ми вважаємо, що темна матерія існує, полягає в тому, що ми можемо спостерігати вплив її гравітації на поведінку галактик. Зокрема, темна матерія становить близько 85 відсотків маси Всесвіту, і більшість далеких галактик, які ми можемо спостерігати, начебто оточені ореолом із цієї загадкової субстанції.

Але вона називається темною матерією, тому що не випромінює світла, не поглинає і не відбиває його, що робить її неймовірно складною для виявлення.

То що це за речовина? Ми вважаємо, що це, мабуть, якась невідома фундаментальна частка, але далі ми не впевнені. Усі спроби виявити частинки темної матерії в лабораторних експериментах досі не мали успіху, і фізики вже кілька десятиліть сперечаються про її природу.

Тепер нове дослідження Альфреда Амрута з Університету Гонконгу та його колег, опубліковане в журналі Nature Astronomy, показало, що аналіз гравітаційного згинання світла може наблизити нас до розуміння природи темної матерії.

Що таке гравітаційне лінзування і до чого тут темна матерія?

Раніше дослідники дійшли до двох можливих кандидатів на роль частинок для темної матерії.

Першим є відносно важкі частинки, які називаються слабовзаємодіючими масивними частинками (WIMPs). Другий — це надзвичайно легкі частки, які називаються аксіонами.

З погляду теоретичної фізики WIMPs повинні поводитися як дискретні частки, тоді як аксіони будуть поводитися більше як хвилі через квантову інтерференцію.

Досі все це залишалося лише теорією.

Але тепер світло, що згинається навколо далеких галактик, надало підказку.

Амрут та його колеги використовували гравітаційне лінзування та кільця Ейнштейна для того, щоб визначити природу частинок темної матерії.

Тут потрібен невеличкий «ліричний відступ».

Коли світло, що подорожує Всесвітом, проходить повз масивний об'єкт, як-от галактика, його шлях викривляється. Цей ефект був описаний у загальній теорії відносності Альберта Ейнштейна, оскільки гравітація масивного об'єкта спотворює простір та час навколо себе.

Як наслідок, коли ми дивимося на далеку галактику, бачимо спотворені зображення інших галактик за нею.

Якщо припустити, що галактики розташовані симетрично одна за одною, то світло від фонової галактики буде «розмащене» довкола ближчої галактики.

Таке спотворення світла називається «гравітаційним лінзуванням». Відповідно, кола, які воно може створювати, називаються «Кільцями Ейнштейна».

Амрут і його команда вивчали, як спотворюються кільця чи інші лінзовані зображення, щоб зрозуміти властивості ореолу темної матерії, що оточує ближчу галактику.

Вчені розглянули кілька систем, у яких кілька копій одного і того самого фонового об'єкта було видно навколо передньої галактики, що лінзує, приділивши особливу увагу одній з них під назвою HS 0810+2554.

Вони створили комп’ютерні моделі, які передбачали, як спотворювалися б зображення, якби темна матерія складалася з WIMPs, і як вони спотворювалися б, якби темна матерія складалася з аксіонів.

Потім вчені порівнювали отримані зображення реального космосу зі своїми моделями.

У результаті дослідники дійшли висновку, що частки WIMP годяться на роль гіпотетичної темної матерії. А ось модель аксіонів точно відтворює усі особливості системи.

Результат свідчить про те, що аксіони є найімовірнішим кандидатом на роль темної матерії, резюмують дослідники. За їхніми словами, здатність моделі аксіонів пояснити аномалії лінзування та інші астрофізичні спостереження просто неймовірна.

Амрут та його колеги не поспішають ставити крапку у питанні про природу темної матерії.

Має бути ще безліч досліджень, які дозволять зрозуміти хвилеподібну природу аксіонів, а можливо, навіть виміряти їх масу, констатують автори дослідження.