Стандартная модель физики элементарных частиц хорошо объясняет взаимодействия между основными строительными блоками материи. Но это не идеально. Это изо всех сил пытается объяснить темную материю. Темная материя составляет большую часть материи во Вселенной, но мы не знаем, что это такое.
Стандартная модель утверждает, что чем бы ни была темная материя, она не может взаимодействовать сама с собой. Новое исследование, возможно, перевернуло ситуацию с ног на голову.
Физики предлагают множество различных кандидатов на роль темной материи, включая темные фотоны, слабовзаимодействующие массивные частицы (вимпы), первичные черные дыры и многое другое. Каждый из них по-своему интригует, но ни по одному из них нет подтверждения. И каждый из них является предлагаемой частью Стандартной модели.
Новое исследование, опубликованное в журнале «Астрономия и астрофизика», предполагает, что мы, возможно, лаем не на то дерево. Это предполагает, что другая модель, называемая моделью самодействующей темной материи, может объяснить темную материю, в то время как Стандартная модель и ее лямбда-холодная темная материя (Lambda CDM) просто не могут этого сделать.
Статья называется «Исследование N-тел/гидродинамического моделирования сливающегося кластера Эль-Гордо: убедительный случай самодействующей темной материи?» Ведущий автор — Риккардо Вальдарнини из группы астрофизики и космологии SISSA (Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati).
Эль-Гордо — чрезвычайно массивное и чрезвычайно удаленное скопление галактик, находящееся на расстоянии более семи миллиардов световых лет от Земли. Оно состоит из двух субскоплений галактик, которые сталкиваются друг с другом на скорости несколько миллионов километров в час. Она находится в центре дискуссий по поводу темной материи и Лямбда-CDM.
В статье 2021 года утверждалось, что Эль-Гордо представляет собой проблему для модели Lambda-CDM, поскольку он появился так рано в космической истории, чрезвычайно массивен и имеет такую высокую скорость столкновения. «Такое быстрое столкновение между отдельными редкими массивными скоплениями является неожиданным в космологии холодной темной материи Лямбда при таком высоком z», — пишут авторы этой статьи.
В более поздней статье 2021 года была получена более низкая оценка массы Эль-Гордо, соответствующая Lambda CDM. «Такая чрезвычайная масса Эль-Гордо стимулировала ряд дискуссий о том, противоречит ли наличие кластера парадигме Lambda CDM», — пишут эти авторы. «Новая масса совместима с текущей космологией Lambda CDM».
Ключевой частью Lambda CDM является то, что темная материя одновременно холодна и не имеет столкновений. В этой модели частицы темной материи не могут столкнуться друг с другом; они могут взаимодействовать только посредством гравитации и, возможно, слабого взаимодействия. Настоящее исследование бросает вызов этому представлению.
Доказать, что темная материя может взаимодействовать сама с собой посредством столкновений, сложно и сложно. Эль-Гордо — хорошее место для изучения идеи самодействующей темной материи (SIDM). «Однако существуют уникальные
лаборатории, которые могут оказаться очень полезными для этой цели и находятся за много световых лет от нас», — сказал ведущий автор Вальдарнини. «Это массивные скопления галактик, гигантские космические структуры, которые при столкновении определяют самые энергичные события со времен Большого взрыва». Эль Гордо — один из них.
Скопления галактик, подобные Эль-Гордо, можно разделить на три компонента: галактики, темную материю и массу газа. Стандартная модель утверждает, что сталкивающийся газ теряет часть своей первоначальной энергии во время столкновения. «Вот почему после столкновения пик плотности массы газа будет отставать от показателей темной материи и галактик», — объяснил Вальдарнини.
Но SIDM говорит другое. В нем говорится, что точки, в которых темная материя достигает максимальной плотности, называемые центроидами, должны быть физически отделены от других компонентов массы. Особенности этого разделения являются отличительной чертой SIDM.
Наблюдения Эль-Гордо показывают, что оно состоит из двух крупных подскоплений: северо-западного (СЗ) и юго-восточного (ЮВ), которые сливаются в одно.
Рентгеновские изображения показывают разные местоположения пиков для разных массовых компонентов. На рентгеновском изображении ниже виден одиночный пик рентгеновского излучения в субскоплении SE и два слабых хвоста, вытянутых за пределы рентгеновского пика. Пик рентгеновского излучения предшествует пику темной материи. Галактика Ярчайшего скопления (BCG) также смещена от центра масс ЮВ. BCG — самые яркие галактики в данном скоплении, они чрезвычайно массивны и являются центрами масс в скоплениях.
«Еще один примечательный аспект можно увидеть в северо-западном скоплении, где пик плотности числа галактик пространственно смещен от соответствующего пика массы», — объяснил Вальдарнини.
Но одних этих наблюдений недостаточно. В новой статье в журнале «Астрономия и астрофизика» Вальдарнини использовал большое количество гидродинамических симуляций N-тел для изучения физических свойств Эль-Гордо. Систематическое моделирование направлено на соответствие наблюдениям. Каждая симуляция имеет несколько разные параметры, и когда симуляция соответствует наблюдениям, эти параметры, вероятно, дадут некоторое объяснение наблюдениям.
Вальдарнини ясно объясняет это в статье. «…цель этой статьи — определить, возможно ли построить модели слияния для скопления Эль-Гордо, которые смогут последовательно воспроизвести наблюдаемую рентгеновскую морфологию, а также многие из его физических свойств».
Критическая часть этой работы и ее моделирования касается расстояний между центрами масс в Эль-Гордо. Если моделирование может это обеспечить, это будет свидетельством в пользу SIDM.
«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 недвусмысленную характеристику поведения темной материи, которая проявляет столкновительные свойства в очень энергичном столкновении кластеров с высоким красным смещением», — продолжил он.
Это классический сценарий «верхушки айсберга». Хотя эти результаты говорят в пользу модели самодействующей темной материи, они далеко не убедительны, как ясно дает понять Вальдарнини, когда говорит о несоответствиях в результатах.
Работа Вальдарнини показывает, что, хотя результаты и являются приблизительным представлением того, как темная материя может вести себя во время слияния кластеров, за этим стоит гораздо больше. «Основные физические процессы» чрезвычайно сложны.
«Исследование убедительно доказывает возможность самодействующей темной материи между сталкивающимися скоплениями в качестве альтернативы стандартной парадигме бесстолкновительной темной материи», — заключает он.
Для большинства из восьми миллиардов людей, живущих сегодня, темная материя не имеет большого значения в повседневной жизни. Но если мы хотим питать надежды и наслаждаться мечтами о человеческой цивилизации, продолжающейся столетия, тысячелетия или даже дольше, расширяющейся в космос и путешествующей к другим звездам, очень важно, чтобы мы понимали все, что можем, о природе. История человеческого прогресса параллельна нашему растущему пониманию природы.
Понимание темной материи имеет решающее значение для понимания природы. Если мы хотим, чтобы цивилизация сохранилась, лучшим путем вперед будет лучшее понимание всего, что касается природы.
Теперь вернемся к нашей повседневной жизни в рамках Стандартной модели.
