Краткая история астрономии. Том 11. Темная материя

Глава 11-7-6
Филаменты помогут классифицировать темную материю

Октябрь 2019

Астрофизики предложили различать холодную, теплую и размытую темную материю по структуре филаментов — галактических нитей, которые образуются в молодой Вселенной. По словам ученых, увидеть эту структуру может космический инфракрасный телескоп «Джеймс Уэбб», который заработает в 2021 году. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics.

К сожалению, несмотря на множество эффектов, которые неявно указывают на существование темной материи, физики до сих пор не знают, из чего она состоит. До последнего времени преобладающим кандидатом были тяжелые вимпы — их предсказывал целый ряд теорий, они отлично вписывались в модель ΛCDM, построить детекторы для их поиска было проще всего. Однако неудачи детекторов, которые упорно не хотят видеть вимпы, заставили физиков обратиться к более экзотическим моделям. Наравне с моделью холодной темной материи (cold dark matter, CDM) сейчас физики рассматривают теплую (warm dark matter, WDM) и размытую (fuzzy dark matter, FDM) темную материю. Частицы, составляющую теплую темную материю, на несколько порядков быстрее и легче вимпов (характерная масса находится на уровне килоэлектронвольт). Масса частиц размытой темной материи еще меньше (вплоть до 10⁻²² электронвольт), так что длина их волны сравнима с размером галактики. К сожалению, пока что проверить модели WDM и FDM не удалось.

Группа исследователей под руководством Филипа Моча (Philip Mocz) предложила отличать эти теории по структуре филаментов (галактических нитей). Чтобы увидеть отличия, ученые численно смоделировали эволюцию Вселенной, в которой исходная плотность темной материи с небольшой амплитудой колебалась около среднего значения. Характерный размер области, которую моделировали ученые, составлял 1,7 мегапарсека.

Во всех трех случаях (CDM, WDM и FDM) темная материя собиралась в филаменты, однако структура филаментов получилась разной. Холодная темная материя быстро распадалась на отдельные сгустки, которые можно интерпретировать как зародыши галактик. В модели WDM такие сгустки тоже появлялись, хотя и были выражены менее явно. Наконец, в модели FDM пространство между скоплениями было заполнено интерференционным узором, образованным областями с низкой и высокой плотностью материи. Внутри же скоплений волны размытой темной материи в целом воспроизводили динамику частиц холодной и теплой материи. Впрочем, плотность таких «скоплений» в среднем оказывалась значительно меньше, чем плотность скоплений в моделях CDM и WDM.

_{Рис. Структура филаментов, образованных холодной (верхний ряд), теплой (средний ряд) и пушистой (нижний ряд) темной материей}

_{Philip Mocz et al. / Physical Review Letters, 2019}

Авторы статьи подчеркивают, что в рассмотренных моделях давлением межзвездного газа можно пренебречь, поэтому при добавлении обычной материи результаты моделирования не изменятся. Обычная материя будет просто выстраиваться вдоль образованных «темных» структур. Это значит, что по изображениям галактик теоретически можно восстановить природу темной материи, ответственной за их формирование. Правда, разрешающей способности существующих телескопов для этого не хватит.

_{nplus1.ru, 4 октября 2019, Дмитрий Трунин}

_{https://nplus1.ru/news/2019/10/04/fuzzy-filaments}

_{Журнал Physical Review Letters, 2019}

_{Филип Моч (Philip Mocz)}

_{https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.141301}