Стандартная модель физики частиц хорошо объясняет взаимодействие между основными элементами материи. Но она не идеальна. Она с трудом объясняет тёмную материю. Тёмная материя составляет большую часть материи во Вселенной, но мы не знаем, что это такое.

Стандартная модель утверждает, что, чем бы ни была тёмная материя, она не может взаимодействовать сама с собой. Новое исследование, возможно, перевернёт это представление.

Физики предлагают множество различных кандидатов на роль тёмной материи, включая тёмные фотоны, слабо взаимодействующие массивные частицы (WIMPs), первичные чёрные дыры и многое другое. Каждый из них по-своему интригует, но ни один из них не нашёл пока подтверждения. И каждый из них, как предполагается, вписывается в Стандартную модель.

Новое исследование, опубликованное в журнале Astronomy and Astrophysics, указывает на то, что мы, возможно, ищем не там, где надо. Оно предполагает, что другая модель, называемая моделью самовзаимодействующей тёмной материи, может объяснить тёмную материю, в то время как Стандартная модель и сопутствующая ей теория лямбда-холодная тёмная материя (ΛCDM) просто не могут этого сделать.

Статья называется «Исследование задачи N-тел/гидродинамическое моделирование сливающегося скопления Эль-Гордо: убедительный довод в пользу взаимодействующей с самой собой тёмной материей?». Ведущий автор — Риккардо Вальдарнини (Riccardo Valdarnini) из группы астрофизики и космологии SISSA (Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati).

Эль-Гордо — чрезвычайно массивное и чрезвычайно удалённое скопление галактик, расположенное на расстоянии более семи миллиардов световых лет от Земли. Оно состоит из двух галактических субкластеров, которые сталкиваются друг с другом со скоростью несколько миллионов километров в час. Оно находится в центре противостояния поборников различных теорий тёмной материи и модели Лямбда-CDM.

В работе 2021 года утверждается, что Эль-Гордо бросает вызов модели Лямбда-CDM, поскольку она появилась так рано в космической истории, настолько массивна и у неё такая высокая скорость столкновения. «Столь быстрое столкновение между отдельными редкими массивными скоплениями неожиданно для космологии Лямбда-CDM при столь высоком z», — пишут авторы работы.

В более поздней работе, опубликованной в 2021 году, была получена более низкая оценка массы Эль-Гордо, которая согласуется с Лямбда-CDM. «Такая экстремальная масса Эль-Гордо вызвала ряд дискуссий о том, не противоречит ли присутствие скопления парадигме Лямбда-CDM, — пишут авторы. — Новая масса совместима с текущей космологией Лямбда-CDM».

Ключевая часть Лямбда-CDM заключается в том, что тёмная материя одновременно холодная и не допускает столкновений. В этой модели частицы тёмной материи не могут сталкиваться друг с другом; они могут взаимодействовать только посредством гравитации и, возможно, слабых сил. Данное исследование опровергает это представление.

Доказать, что тёмная материя может взаимодействовать сама с собой посредством столкновений частиц, сложно и трудно. Эль-Гордо — хорошее место для изучения идеи самовзаимодействующей тёмной материи (Self-Interacting Dark Matter, SIDM). «Есть уникальные природные лаборатории, расположенные за много световых лет от нас, которые могут оказаться очень полезными для этой цели, — говорит ведущий автор исследования Вальдарнини. — Это массивные скопления галактик, гигантские космические структуры, которые при столкновении определяют самые энергичные события со времён Большого взрыва». Эль-Гордо — одно из них.

Галактические скопления, подобные Эль-Гордо, можно разделить на три составляющие: галактики, тёмная материя и газовая масса. Стандартная модель гласит, что сталкивающийся газ теряет часть своей первоначальной энергии во время столкновения. «Именно поэтому после столкновения пик плотности массы газа будет отставать от плотности тёмной материи и галактик», — объясняет Вальдарнини.

Но SIDM говорит о другом. В ней говорится, что точки, в которых тёмная материя достигает максимальной плотности, называемые центроидами, должны быть физически отделены от других компонентов массы. Особенности этого отделения – признак существования SIDM.

Наблюдения за Эль-Гордо показывают, что оно состоит из двух крупных субкластеров: северо-западного (NW) и юго-восточного (SE), которые сливаются в один.

На рентгеновских снимках видны разные места расположения пиков для компонентов разной массы. На рентгеновском снимке ниже показан единственный пик рентгеновского излучения в субкластере SE и два слабых хвоста, вытянутых за пределы рентгеновского пика. Рентгеновский пик предшествует пику тёмной материи. Ярчайшая галактика скопления (BCG) также смещена от центроида массы SE. В терминологии астрономов, BCG — самая яркая галактика в каком-либо конекретном скоплении, она обычно чрезвычайно массивна и является центром масс.

«Ещё один примечательный аспект можно увидеть в скоплении NW, где пик плотности числа галактик пространственно смещён от соответствующего пика массы», — пояснил Вальдарнини.

Но одних наблюдений недостаточно. В новой работе, опубликованной в журнале Astronomy and Astrophysics, Вальдарнини использовал большое количество N-тела/гидродинамических симуляций для изучения физических свойств Эль-Гордо. Систематическое моделирование направлено на то, чтобы соответствовать наблюдениям. Каждая симуляция имеет немного разные параметры, и когда симуляция совпадает с наблюдениями, эти параметры, скорее всего, дают некоторое объяснение наблюдениям.

Вальдарнини чётко объясняет это в своей статье. «...Цель данной работы — определить, возможно ли построить модели слияния для скопления Эль-Гордо, которые могут последовательно воспроизводить наблюдаемую рентгеновскую морфологию, а также многие из его физических свойств».

Важнейшая часть этой работы и её моделирования касается расстояний между центрами масс в Эль-Гордо. Если симуляции удаётся получить такие результаты, это свидетельствует в пользу SIDM.

«Самый важный результат этого исследования заключается в том, что относительные расстояния, наблюдаемые между различными центрами масс скопления "Эль-Гордо", естественным образом объясняются, если тёмная материя самовзаимодействует», — утверждает Вальдарнини.

«По этой причине данные находки дают однозначную сигнатуру поведения тёмной материи, которая проявляет коллизионные свойства в очень энергичном столкновении высокоскоростных кластеров», — продолжает он.

Это классический сценарий «верхушки айсберга». Хотя эти результаты свидетельствуют в пользу модели самовзаимодействующей тёмной материи, они ещё не окончательны, как ясно даёт понять Вальдарнини, говоря о несоответствиях в результатах.

Работа Вальдарнини показывает, что, хотя полученные результаты являются приближённым представлением того, как тёмная материя может вести себя во время слияния кластеров, здесь есть много чего ещё. «Лежащие в основе физические процессы» чрезвычайно сложны.

«Исследование убедительно доказывает возможность самовзаимодействия тёмной материи между сталкивающимися кластерами в качестве альтернативы стандартной парадигме тёмной материи без столкновений», — заключает он.

Для большинства из восьми миллиардов людей, живущих сегодня, тёмная материя не имеет особого значения в повседневной жизни. Но если мы хотим питать надежды и наслаждаться мечтами о том, что человеческая цивилизация просуществует века, тысячелетия или даже дольше, выйдет в космос и отправится к другим звёздам, нам крайне важно понять всё, что мы можем, о природе. История человеческого прогресса идёт параллельно нашему растущему пониманию природы.

Понимание тёмной материи имеет решающее значение для понимания природы. Если мы хотим, чтобы цивилизация продолжала существовать, лучшее понимание всего, что связано с природой, — это лучший путь вперёд.

А пока вернёмся к нашей повседневной жизни в рамках Стандартной модели.