Исследование предполагает, что частицы темной материи все-таки могут сталкиваться
Автор: Astronomy & Astrophysics (2024). DOI: 10.1051/0004-6361/202348000
Вопреки тому, что установлено стандартной моделью, темная материя действительно может взаимодействовать сама с собой. Такой вывод заключают исследования, опубликованные в журнале Astronomy & Astrophysicals и проведенные Риккардо Вальдарнини из группы астрофизики и космологии SISSA. Используя численное моделирование, исследование проанализировало то, что происходит внутри «Эль-Гордо» (буквально «Толстяк» по-испански), гигантского слияния кластеров в семи миллиардах световых лет от нас.
Расчеты показали, что в этом скоплении наблюдаемое физическое разделение между точками максимальной плотности темной материи и точками других компонентов массы можно объяснить с помощью так называемой модели SIDM (Self-Interacting Dark Matter) в отличие от стандартной модели. Это исследование вносит важный вклад в пользу модели SIDM, согласно которой частицы темной материи обмениваются энергией посредством столкновений, что приводит к интересным астрофизическим последствиям.
«Эль-Гордо»: гигантская космическая структура для изучения темной материи
«Согласно принятой в настоящее время стандартной космологической модели, нынешняя плотность барионной материи во Вселенной может составлять только 10% от общего содержания материи. Остальные 90% находятся в форме темной материи», — объясняет Вальдарнини, автор исследования.
«Принято считать, что эта материя небарионна и состоит из холодных частиц, которые реагируют только на гравитацию, и не могут сталкиваться. Отсюда и название «холодная темная материя» (CDM). Однако все еще существует ряд наблюдений, которые еще не были объяснены с помощью стандартной модели», — говорит исследователь. «Чтобы ответить на эти вопросы, несколько авторов предлагают альтернативную модель, называемую SIDM».
Доказать коллизионные свойства темной материи и, в более общем плане, теории, альтернативные стандартной космологической модели, очень сложно. Он объясняет: «Однако на расстоянии многих световых лет от нас существуют уникальные лаборатории, которые могут оказаться очень полезными для этой цели. Это массивные скопления галактик, гигантские космические структуры, которые при столкновении определяют самые энергичные события со времен Большого взрыва.
«Эль-Гордо с массой около 1015 солнечных масс является одним из крупнейших известных нам скоплений галактик. Из-за своих особенностей Эль-Гордо стало предметом многочисленных исследований, как теоретических, так и наблюдательных».
Темная материя может сталкиваться
Согласно стандартной парадигме, во время слияния скоплений поведение компонента массы сталкивающегося газа будет отличаться от поведения двух других компонентов — галактик и темной материи. В этом случае газ будет рассеивать часть своей первоначальной энергии.
«Вот почему после столкновения пик плотности массы газа будет отставать от пика темной материи и галактик», — объясняет Вальдарнини. Однако в модели SIDM следует наблюдать своеобразное явление, а именно физическое отделение центроидов темной материи — точек ее максимальной плотности — от центроидов других компонентов массы с особенностями, которые представляют собой истинную «сигнатуру моделей SIDM». По наблюдениям, именно это и происходит внутри «Эль Гордо».
Наблюдение за Эль Гордо
«Давайте начнем с наблюдений», — объясняет Вальдарнини. Эль-Гордо состоит из двух массивных субскоплений, названных соответственно северо-западным (СЗ) и юго-восточным (ЮВ). На рентгеновском изображении скопления «Эль-Гордо» виден единственный пик рентгеновского излучения в субскоплении SE и два слабых хвоста, вытянутых за пределы рентгеновского пика. Примечательной особенностью является расположение пиков различных массовых компонентов.
В отличие от того, что можно увидеть в скоплении Пуля, еще одном важном примере сталкивающегося скопления, пик рентгеновского излучения предшествует пику темной материи SE. Более того, Галактика Ярчайшего скопления (BCG) не только отстает от рентгеновского пика, но и, по-видимому, пространственно смещена от центра масс ЮВ. Еще один примечательный аспект можно увидеть в скоплении NW, где пик плотности числа галактик пространственно смещен от соответствующего пика массы.
Результаты исследований позволяют предположить, что столкновение темной материи является объяснением явлений, наблюдаемых в «Эль Гордо»
Чтобы объяснить свои выводы и подтвердить достоверность моделей SIDM, Вальдарнини использовал большой набор так называемых N-образных/гидродинамических симуляций. Таким образом, он провел систематическое исследование, направленное на воспроизведение особенностей наблюдения «Эль-Гордо».
«Наиболее важным результатом этого моделирования является то, что относительные расстояния, наблюдаемые между различными центроидами масс скопления Эль-Гордо, естественным образом объясняются тем, что темная материя взаимодействует сама с собой», — утверждает Вальдарнини.
«По этой причине эти результаты дают однозначное представление о поведении темной материи, которая проявляет коллизионные свойства при очень энергичном столкновении скоплений с высоким красным смещением. Однако существуют несоответствия, поскольку значения поперечного сечения SIDM, полученные в результате этого моделирования, превышают существующие верхние пределы, которые в масштабах кластера составляют порядка единицы».
«Это говорит о том, что существующие модели SIDM следует рассматривать лишь как приближение низкого порядка, и что основные физические процессы, описывающие взаимодействие темной материи при крупных слияниях кластеров, более сложны, чем может быть адекватно представлено общепринятым подходом, основанным на рассеяние частиц темной материи».
«Исследование убедительно доказывает возможность самодействующей темной материи между сталкивающимися скоплениями в качестве альтернативы стандартной парадигме бесстолкновительной темной материи».
Больше информации: R. Valdarnini, An N-body/hydrodynamical simulation study of the merging cluster El Gordo: A compelling case for self-interacting dark matter?, Astronomy & Astrophysics (2024). DOI: 10.1051/0004-6361/202348000
0 комментариев