У центрі спіральних галактик - як близьких до нас, так і віддалених на мільярди світлових років - знаходиться велика сферична область, що складається з частинок темної матерії. У цій області є дві визначальні характеристики: щільність, яка постійна до певного значення радіусу, і сам радіус, який дивно збільшується з часом, в той час як щільність зменшується.
Це передбачає існування прямої взаємодії між елементарними частинками, з яких складається гало темної матерії, і тими, з яких складається звичайна баріонна речовина, - протонами, електронами, нейтронами і фотонами. Вчені очікують, що ця гіпотеза знаходиться в прямому протиріччі з переважаючою в даний час теорією, використовуваною для опису Всесвіту, відомої як лямбда-холодна темна матерія, яка постулює, що частинки холодної темної матерії інертні і не взаємодіють ні з якими іншими частинками, а взаємодіють тільки через гравітацію.
Про ці важливі результати повідомляється в новому дослідженні, опублікованому в журналі Astronomy and Astrophysics, в якому вивчалася велика кількість далеких галактик, що знаходяться на відстані близько семи мільярдів світлових років.
Дослідження дозволило по-новому поглянути на одну з найбільших загадок сучасної фізики. За словами авторів, нове дослідження являє собою крок вперед у нашому розумінні темної матерії, невловимого елемента в нашому Всесвіті, який був теоретизований на основі його доведеного впливу на небесні тіла, але який ще належить довести безпосередньо.
Вивчення темної матерії в далеких галактиках
Загальна маса-енергія спостережуваного Всесвіту складається з приблизно 26,8% темної матерії.
«Її переважна присутність у всіх галактиках пов'язана з тим, що зірки і газоподібний водень рухаються так, як ніби управляються невидимим елементом», - пояснюють вчені. Досі спроби її вивчення були зосереджені на галактиках, близьких до нашої. «Однак у нашому дослідженні, ми вперше прагнули спостерігати і визначати розподіл маси спіральних галактик з тією ж морфологією, що і у найближчих, але набагато далі і, отже, раніше приблизно на сім мільярдів років».
Ідея, по суті, полягає в тому, що ці прабатьки спіральних галактик, подібних до нашої, могли запропонувати фундаментальні ключі до розгадки природи частинки, що лежить в основі таємниці темної матерії. «Вивчаючи рух зірок приблизно в 300 далеких галактиках, ми виявили, що ці об'єкти також мають ореол темної матерії, і що, починаючи з центру галактики, цей ореол фактично має область, щільність якої постійна». Ця особливість вже спостерігалася в дослідженнях з вивчення довколишніх галактик.
Однак нове дослідження показало, що в цій центральній області було щось абсолютно несподіване в контексті так званої «стандартної моделі космології».
Дослідники кажуть, що «в результаті контрасту між властивостями близьких і далеких спіральних галактик, тобто між сьогоднішніми галактиками і їх попередниками сім мільярдів років тому, ми могли бачити, що існує не тільки нез'ясовна область з постійною щільністю темної матерії, але також і те, що її розміри з часом збільшуються, як якщо б вона піддавалася процесу постійного розширення і розбавлення».
Це свідчення дуже важко пояснити, якби частинки темної матерії не взаємодіяли, як це стверджується в моделі Lambda-CDM. «У дослідженні, яке ми нещодавно опублікували, ми пропонуємо докази прямої взаємодії між темною матерією і звичайною матерією, яка з часом повільно створює область постійної щільності від центру галактики до краю». Але є ще дещо.
"Дивно, але зазначена вище область з постійною щільністю з часом розширюється. Це дуже повільний процес, але він невблаганний ", - стверджують вчені.
Одне з можливих пояснень? "Найпростіше полягає в тому, що на початку, коли утворилася галактика, розподіл темної матерії в сферичному гало було таким, як передбачала теорія Лямбда-CDM, з піком щільності в центрі. Пізніше галактичний диск, який характеризує спіральні галактики, оточені ореолом надзвичайно щільних частинок темної матерії. З часом ефект взаємодії, який ми встановили, означав, що частинки були захоплені зірками або викинуті у зовнішні межі галактики ".
Цей процес створить сферичну область постійної щільності всередині гало темної матерії, розміри якої пропорційно збільшуються з часом і в кінцевому підсумку досягають розмірів галактичного зіркового диска, як стверджують вчені. «Результати дослідження ставлять важливі питання для альтернативних сценаріїв, що описують частинки темної матерії (крім Lambda-CDM), таких як тепла темна матерія, самодіюча темна матерія і надлегка темна матерія».
Ці моделі повинні також враховувати чітку тимчасову еволюцію, зареєстровану у вищезгаданій області. Властивості дуже далеких галактик в просторі і часу пропонують космологам справжній шлях до розуміння таємниць темної матерії.
Висновки. Ореоли темної матерії поступово розширювалися протягом останніх 6,5 мільярдів років. Тобто спостереження здатні зафіксувати реакції темної матерії на баріонні процеси, що дає нам перше емпіричне свідчення «гравітаційного потенціалу флуктуації» у внутрішній області галактик, які можна буде перевірити за допомогою глибоких досліджень і майбутніх місій.
Цікаво зазначити, "що, відповідно до філософії Ніцше, істина цієї таємниці може бути розкрита не шляхом деталізації найкрасивішого сценарію - того, який математично найбільш елегантний, простий і передбачуваний як розширення давно перевірених теорій, - а скоріше за «потворним» сценарієм, визначеним неосяжною і складною спостережною феноменологією, із забутої фізичної теорії, абсолютно не пов'язаної з тією, що нам знайома ", - говорить Паоло Салуччі, один з авторів роботи.
Дослідження було опубліковано в журналі Astronomy and Astrophysics. G. Sharma et al, Observational evidence of evolving dark matter profiles since z 1, Astronomy & Astrophysics (2022).