Скопления галактик, группы галактик, стянутые гравитационными силами, являются естественными местами столкновения темной материи. Фото предоставлено: НАСА
Что такое темная материя? Даже для астрофизиков этот вопрос остается без ответа. Эти невидимые частицы составляют большую часть материи во Вселенной и около четверти всей Вселенной. Считается, что они являются космическим клеем, скрепляющим Вселенную, но мы до сих пор не знаем, что это за тип частиц. Ответ на этот вопрос может дать нам беспрецедентное понимание прошлого, настоящего и будущего известной нам Вселенной.
Исследование астрофизиков Северо-Восточного университета может предложить новый способ ответить на этот извечный вопрос. Результаты исследования были опубликованы в Ежемесячных уведомлениях Королевского астрономического общества.
«Все во Вселенной представляет собой частицу, волну и поле, поэтому базовая линия [assumption] «Темная материя должна быть частицей», — говорит Жаклин Макклири, доцент кафедры физики и автор статьи. «Вопрос о том, что это за частица, очень расплывчатый».
Метод, описанный в статье, предполагает использование сливающихся групп галактик в качестве гигантских естественных ускорителей 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: на Земле мы мало что можем с этим поделать.
Мощные ускорители частиц, такие как Большой адронный коллайдер, помогли ученым понять природу обычной материи посредством столкновений частиц высоких энергий. Однако темной материей нельзя манипулировать таким же образом.
По словам Макклири, темная материя занимает пространство, как и обычная материя, но практически невидима для наших глаз, поскольку не взаимодействует со светом. Тем не менее, оно оказывает измеримое влияние на Вселенную. Ученые полагают, что во Вселенной существует обширное скопление темной материи, похожее на паутину, которая притягивает большую часть обычной материи и даже помогает в формировании и росте галактик.
Вместо того, чтобы полагаться на земное оборудование, исследователи обратились к космосу. В данном случае речь шла о наблюдении скоплений галактик, то есть групп галактик, сближающихся гравитационными силами.
«В скоплениях галактик также доминирует темная материя», — говорит Макклири. «От 80 до 90 процентов его массы составляет темная материя, и чем массивнее объект, тем быстрее движутся составляющие его частицы темной материи. По сути, мы изучаем столкновения очень высоких энергий».
Различные теории предполагают, что темная материя — это фотон, несущий электромагнитную силу, сверхлегкое нейтрино или даже крошечная черная дыра. Современная теория, по словам Макклири, заключается в том, что темная материя — это вимп (слабо взаимодействующая массивная частица). Как следует из названия, это гипотетические крупные, тяжелые, медленно движущиеся частицы, которые взаимодействуют друг с другом и с обычной материей со слабыми силами.
«Наземные эксперименты по обнаружению частиц продолжаются уже около 20 лет и пока ничего не дали», — говорит Макклири. «Это показывает нам, что темная материя, вероятно, не самая тусклая частица, о которой мы думали. Вероятно, это не чистый вимп, иначе мы бы уже нашли ее. Это побудило нас исследовать другие модели частиц, чтобы выяснить, чем может быть темная материя. иметь значение.»
Альтернативная модель, представленная в этой статье, предполагает, что если эти скопления галактик и их темная материя столкнутся с достаточной силой, можно будет наблюдать взаимодействие темной материи само 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 программирование физических моделей взаимодействия темной материи, звезд и газа.
Наблюдая за столкновениями темной материи, ученые могли бы определить некоторые фундаментальные свойства частиц, которые помогли бы им найти ответ на вопрос о темной материи.
«Если вы сможете измерить некоторое самодействие или установить верхний предел, вы исключите возможность того, что темная материя может принадлежать к определенному классу частиц», — говорит Макклири.
«Если вы измеряете определенное самодействие, то вы вводите в игру другой класс частиц. Вы допускаете другой класс теорий. В этой статье также говорится, что если вы возьмете группу, скажем, из 100 галактик, Сливающиеся скопления имеют возможность измерить самовзаимодействие темной материи до определенного предела».
«Поначалу это кажется нелогичным, потому что мы всегда хотим положительного ответа: что это?», — говорит Макклири. «Но в данном случае мы как бы вынуждены сказать, чем это не так? Это процесс исключения».
Информация от: Северо-Восточным университетом
