Краткая история астрономии. Том 11. Темная материя

Глава 11-15-3
Темный электромагнетизм помог темной материи сколлапсировать

Февраль 2018

Темная материя может формировать сложные объекты, аналогичные звездам или карликовым галактикам, если предположить, что ее частицы теряют энергию из-за гипотетического темного электромагнитного взаимодействия. Физики из университета Ратгерса показали, что он не противоречит существующей теории холодной темной материи, поскольку масса образуемых объектов не превышает определенной величины. Статья опубликована в Physical Review Letters.

Темной материи в нашей Вселенной примерно в пять раз больше, чем барионной, но обычная материя гораздо сложнее своего темного аналога. Конечно, некоторые теории предсказывают и более сложные структуры, состоящие из темной материи — например, первичные черные дыры или аксионные звезды, — однако встречаться такие объекты должны сравнительно редко.

А вот обычная, барионная материя повсеместно образует объекты с гораздо более сложной структурой — начиная от спиральных галактик и заканчивая звездами и планетами. Это обусловлено тем, что барионы теряют часть своей энергии благодаря электромагнитному взаимодействию и глубоко «проваливаются» в гравитационный потенциал. А даже в моделях темной материи с взаимодействием частицы не способны терять энергию, а могут только перераспределять ее. Если бы это было не так, форма гало, окружающих галактики, сильно бы исказилась, и астрономы бы это увидели.

Механизм охлаждения барионной материи хорошо работает только в определенном диапазоне масс коллапсирующих объектов. При увеличении массы объекта растет его гравитационная энергия, а следовательно, увеличивается энергия частиц, входящих в его состав. Из-за этого они становятся менее чувствительны к потерям энергии на электромагнитное излучение, и коллапс осложняется. В результате образование сложных структур происходит только для объектов с массой не больше 10¹² масс Солнца, а на бо́льших масштабах скопление галактик представляет собой сферически симметричное облако с вложенными в него галактиками.

Физики Мэттью Бакли (Matthew Buckley) и Энтони ДиФранцо (Anthony DiFranzo) использовали эту лазейку, чтобы заставить темную материю терять энергию и формировать сложные структуры, но оставаться однородной на больших масштабах. Для этого они предложили простую модель, в которой частицы темной материи оказываются заряжены гипотетическим темным электромагнитным взаимодействием.

Ученые рассчитали, какую максимальную массу могут иметь сложные объекты из темной материи. По оценкам физиков в окружающем Млечный Путь гало могут содержаться образования из темной материи с массой, сравнимой со сверхмассивными звездами или карликовыми галактиками. Но не более двух процентов от суммарной массы гало.

Они не первыми предложили использовать темный электромагнетизм в качестве механизма охлаждения, который приводит к формированию сложных объектов из темной материи. Но они первыми показали, что такой механизм эффективен только при определенных значениях массы коллапсирующей темной материи.

_{nplus1, 5 февраля 2018, Дмитрий Трунин}

_{https://nplus1.ru/news/2018/02/05/dark-collapse}

_{Статья опубликована в Physical Review Letters}

_{Мэттью Бакли (Matthew Buckley) и Энтони ДиФранцо (Anthony DiFranzo) из университета Ратгерса}

_{https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.051102}