Темна матерія, невидимий матеріал, що становить переважну більшість маси Всесвіту, може збиратися в атоми, як показує нове моделювання. Ці “темні атоми” можуть радикально змінити еволюцію галактик і формування зірок, даючи астрономам нову можливість зрозуміти цю загадкову субстанцію.
Темна матерія становить понад 80% маси кожної галактики та скупчення галактик у Всесвіті. Всі наші спостереження вказують на те, що темна матерія – це якийсь новий вид частинок, який не взаємодіє зі звичайною матерією і навіть зі світлом. Ми можемо ідентифікувати темну матерію лише через її гравітаційну взаємодію з усім іншим. Чим би не була темна матерія, вона знаходиться за межами нашого сучасного розуміння фізики. Але вона все ще має масу, а отже, має гравітацію.
Ми ще не знаємо, чи є темна матерія простою, чи складною. Вона може складатися лише з одного типу частинок, які домінують у Всесвіті та майже не взаємодіють навіть із собою. Або ж вона може складатися з декількох типів частинок, з таким же багатим розмаїттям, яке ми бачимо у звичайній матерії. Крім того, ми знаємо лише чотири фундаментальні сили природи: гравітацію, електромагнетизм, сильну ядерну взаємодію та слабку ядерну взаємодію. Але можуть існувати додаткові сили, які діють лише серед частинок темної матерії та зовсім не впливають на нормальну матерію.
Концепція додаткових частинок темної матерії та темних сил не така вже й надумана, як може здатися. Наше розуміння фізики побудоване на симетріях, які є глибокими математичними взаємозв’язками між частинками. Цілком можливо, що в законах природи існують додаткові симетрії, які роблять темну матерію двійником нормальної матерії, і що для кожного виду взаємодії, в якій може брати участь нормальна матерія, існує аналог у темному секторі.
Наприклад, зі звичайної матерії ми можемо побудувати прості атоми: протон і електрон, пов’язані між собою, з фотоном, переносником електромагнітної сили, що опосередковує взаємодію. Ми також можемо мати версію такої ж структури темної матерії, з темним протоном, зв’язаним з темними електронами за допомогою темних фотонів: темні атоми.
Атомна темна матерія поводилася б набагато інакше, ніж темна матерія, що складається лише з однієї частинки. Найважливіше те, що простій темній матерії було б дуже важко збиратися в згустки, і вона робила б це повільно, протягом сотень мільйонів років. Звичайна матерія збирається в цих гладких скупченнях темної матерії, утворюючи галактики, але в іншому вони живуть окремим життям. Атомарна темна матерія, однак, може формувати свої власні тіньові галактики – дископодібні структури, які імітують розмір і розташування видимих галактик.
Команда астрофізиків використала цю інтригуючу можливість, щоб змоделювати еволюцію галактик і побачити, які спостережувані відмінності можуть виникнути. Вони дозволили атомарній темній матерії еволюціонувати відповідно до її власних сил, а потім дослідили, як ці нові структури вплинуть на видимі галактики через нову організацію гравітації. У квітні вони опублікували свої результати в онлайн-базі препринтів arXiv.
Дослідники виявили, що навіть невеликої кількості атомарної темної матерії – всього 6% всієї темної матерії у Всесвіті, не враховуючи решту – достатньо, щоб радикально змінити еволюцію галактик. Оскільки атомарна темна матерія здатна взаємодіяти, вона може легко згущуватися, втрачаючи енергію через випромінювання певної форми темного випромінювання. Моделювання показало, що всередині кожної галактики швидко з’являється “темний диск”, спін якого близько відповідає спіну видимих, нормальних компонентів.
Звідти атомна темна матерія продовжувала згущуватися, подібно до того, як звичайний газ згущується в хмари та, зрештою, в зірки. У симуляції атомна темна матерія утворювала власні темні зірки та навіть могла спричинити утворення власних чорних дір. Потім ці згустки занурювалися в ядро галактики, де щільність збільшувалася.
Завдяки цій додатковій гравітації зореутворення в ядрах галактик прискорюється, утворюючи зорі набагато швидше, ніж у галактиках з простою темною матерією. Ці симуляції фактично виключили деякі моделі атомарної темної матерії, тому що ці моделі призводили до того, що в їхніх галактиках надто швидко закінчувався новий матеріал для утворення зірок.
Але деякі моделі пережили нинішні межі спостережень, допускаючи подальшу можливість існування атомарної темної матерії. Дослідники сподіваються, що подальші теоретичні та експериментальні дослідження проллють світло на правдоподібність цієї інтригуючої форми екзотичної матерії. Наприклад, оскільки атомарна темна матерія так ефективно згущується, ми зможемо виявити щільні згустки, схожі на зірки, за допомогою майбутніх досліджень гравітаційного мікролінзування за допомогою римського космічного телескопа NASA “Ненсі Грейс”.
Читайте також: