Вихри в ультралегкой темной материи могут раскрыть новые ключи к космической структуре

Экваториальное сечение системы. Слева: плотность темной материи (сеть вихрей соответствует сети разреженных белых точек в ядре). В центре: фаза волновой функции, со звездной структурой в ядре, связанной с сетью вихрей. Справа: круговое движение вихрей внутри ядра.

Природа темной материи остается одной из величайших загадок в космологии. В рамках стандартной модели несталкивающейся холодной темной материи (CDM) рассматриваются различные модели: WIMP (слабовзаимодействующие массивные частицы с массами около 100 ГэВ/c²), первичные черные дыры и ультралегкие аксионоподобные частицы (массой от 10⁻²² до 1 эВ/c²). В последнем случае темная материя ведет себя как волна, описываемая уравнением Шрёдингера, а не как совокупность точечных частиц. Это порождает специфическое поведение на малых масштабах, следуя стандартной динамике (CDM) на больших масштабах.

Филипп Бра и Патрик Валажа, исследователи из Института теоретической физики, изучали модели ультралегкой холодной темной материи с отталкивающими самовзаимодействиями, динамика которых описывается нелинейным вариантом уравнения Шрёдингера, известным как уравнение Гросса-Питаевского, которое также встречается в физике сверхтекучестей и конденсатов Бозе-Эйнштейна. В своей работе авторы отслеживают формирование и динамику особых структур, называемых «вихрями» и «солитонами» (ядра в гидростатическом равновесии), внутри гало вращающейся ультралегкой темной материи.

Статьи опубликованы в журнале Physical Review D.

Как и в случае со сверхтекучей жидкостью, изучаемой в лаборатории, в этих моделях ядра темной материи описываются уравнениями «безвихревого» потока. Система тогда может поддерживать общее вращение только за счет появления сингулярностей, то есть «вихрей».

Комбинируя аналитический и численный подходы, авторы показывают, что вращающиеся гало темной материи действительно порождают такие вихри, которые далее организуются в стабильную вращающуюся сеть в ядре гало. Эти вихри имеют квантованный угловой момент, который зависит от массы частицы темной материи. Из-за центробежной силы «солитон» (ядро темной материи) приобретает осесимметричную, уплощенную форму.

Если эти вихри действительно существуют, они могут предложить новый способ обнаружения ультралегкой темной материи. Например, путем анализа гравитационных сигнатур, которые они оставляют в галактиках. Также было бы интересно изучить возможную связь между этими «вихревыми линиями» и нитями космической паутины. Таким образом, вихри, аналогичные наблюдаемым в лаборатории в физике квантовых сверхтекучестей, могут существовать в гало темной материи на астрофизических или галактических масштабах.

Темная материя составляет около 27% всей массы-энергии Вселенной, но до сих пор не обнаружена напрямую. Ультралегкая темная материя, или «пушистая» темная материя, является популярной альтернативой традиционным моделям, поскольку она может решить некоторые проблемы стандартной модели холодной темной материи, такие как «проблема недостающих карликовых галактик».

Больше информации: Philippe Brax et al, 3D vortices and rotating solitons in ultralight dark matter, Physical Review D (2025). DOI: 10.1103/s91m-pldz
Philippe Brax et al, Vortices and rotating solitons in ultralight dark matter, Physical Review D (2025). DOI: 10.1103/physrevd.111.103527