Скопления галактик помогут изучить темную материю

Скопления галактик, группы галактик, стянутые гравитационными силами, являются естественными местами столкновений темной материи. Автор: NASA

Что такое темная материя? Даже для астрофизиков этот вопрос остается без ответа. Эти невидимые частицы составляют большую часть материи во Вселенной и около четверти Вселенной в целом. Считается, что они являются космическим клеем, связывающим Вселенную, но мы до сих пор не знаем, что это за частицы. Поиск ответа на этот вопрос может дать нам беспрецедентное понимание прошлого, настоящего и будущего известной нам Вселенной.

Исследование астрофизиков Северо-Восточного университета предлагает потенциально новый способ ответа на этот извечный вопрос. Исследование опубликовано в Ежемесячных уведомлениях Королевского астрономического общества.

«Все во Вселенной является частицей, волной и полем, поэтому базовым [предположением] является то, что темная материя должна быть частицей», — говорит Жаклин Макклири, доцент кафедры физики и автор статьи. «Вопрос в том, что это за частица, поскольку частица очень расплывчата».

Метод, изложенный в статье, предполагает использование сливающихся групп галактик в качестве гигантских естественных коллайдеров темной материи для наблюдения за тем, что происходит, когда темная материя взаимодействует сама с собой. Он пытается преодолеть серьезную проблему в понимании природы темной материи: мы мало что можем сделать на Земле.

Мощные ускорители частиц, такие как Большой адронный коллайдер, помогли ученым понять природу обычной материи посредством столкновений частиц высоких энергий, но темной материей нельзя манипулировать таким же образом.

Темная материя, как и обычная материя, занимает пространство, но по существу невидима для наших глаз, поскольку свет с ней не взаимодействует, говорит Макклири. Тем не менее, оно по-прежнему оказывает измеримое влияние на Вселенную. Ученые полагают, что во Вселенной существует массивная паутина темной материи, которая притягивает большую часть обычной материи и даже помогает галактикам формироваться и расти.

Вместо того чтобы полагаться на земное оборудование, эти исследователи обратились за помощью к космосу. В данном случае это предполагает наблюдение за скоплениями галактик — группами галактик, которые были стянуты вместе гравитационными силами.

«В скоплениях галактик также доминирует темная материя», — говорит Макклири. «От 80 до 90 процентов их массы составляет темная материя, и чем массивнее объект, тем быстрее будут двигаться составляющие его частицы темной материи. По сути, вы изучаете столкновения очень высоких энергий».

Различные теории утверждали, что темная материя — это фотон, несущий электромагнитную силу, сверхлегкое нейтрино или даже крошечная черная дыра. По словам Макклири, в настоящее время предпочитаемая теория заключается в том, что темная материя — это вимп, или слабо взаимодействующая массивная частица. Как следует из названия, это гипотетические большие, тяжелые, медленно движущиеся частицы, которые взаимодействуют друг с другом и обычной материей со слабой силой.

«Наземные эксперименты по обнаружению частиц проводятся уже около 20 лет и пока ничего не дали», — говорит Макклири. «Это указывает нам на то, что темная материя, вероятно, не самая скучная частица, о которой мы могли подумать. Вероятно, это не чистый вимп, иначе мы бы уже нашли ее. Это побудило нас взглянуть на другие частицы. модели того, какой может быть темная материя».

Альтернативная модель, изложенная в этой статье, утверждает, что если эти скопления галактик и их темная материя столкнутся с достаточной силой, можно будет наблюдать темную материю, взаимодействующую сама с собой. Макклири и другие члены исследовательской группы смоделировали эти взаимодействия, используя гидродинамическое моделирование — крупномасштабные компьютерные программы, которые могут моделировать физические взаимодействия между частицами. В данном случае это означало создание физических моделей взаимодействия темной материи, звезд и газа.

Наблюдение за столкновениями темной материи может помочь ученым определить некоторые базовые характеристики частиц, которые помогут им отточить поиск ответа на вопрос о темной материи.

«Если вы можете измерить какое-то самодействие или установить некий верхний предел, вы исключаете или ограничиваете классы частиц, которыми могла бы быть темная материя», — говорит Макклири.

«Если вы измеряете некоторое самодействие, то вы вводите другой класс частиц. Вы допускаете другой класс теорий. В этой статье также говорится, что если вы изучаете набор, скажем, 100 сливающихся скоплений галактик, вы есть шанс измерить самодействие темной материи до некоторого порога».

«Поначалу это кажется нелогичным, потому что мы всегда хотим положительного ответа: что это такое?» Макклири говорит. «Но в данном случае мы как бы вынуждены сказать: а что не так? Это процесс исключения».

Больше информации: Ellen L Sirks et al, Hydrodynamical simulations of merging galaxy clusters: giant dark matter particle colliders, powered by gravity, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (2024). DOI: 10.1093/mnras/stae1012

Источник: Northeastern University