Чи темна матерія взаємодіє?

Дотепер залишається суперечливим, чи темна матерія може взаємодіяти сама з собою. Але нова модель може пояснити суперечливі дані. Згідно з нею, частинки темної матерії стикаються лише тоді, коли наділені конкретною швидкістю та енергією. Лише за таких  умов настає резонанс, що уможливлює взаємодію частинок. Якщо теорія підтвердиться, вона стане важливою вказівкою на масу ще неідентифікованих частинок темної матерії.



У центрах карликових галактик темна матерія менш щільна, ніж мала б бути. Це можна пояснити резонансними зіткненнями частинок темної матерії. Зображення:  Kavli IPMU, NASA/ STScI.


 

Хоча темна матерія становить понад 80% всієї матерії Всесвіту, її природа залишається таємничою. Очевидно, що на поведінку небесних тіл та галактик впливає гравітація, проте невідомо, ні з яких частин складається темна матерія, ні чи ці частинки можуть між собою взаємодіяти. Наприклад, чи стикаються вони, чи можуть гасити одна одну. Існують докази як на користь одного, так і на користь протилежного припущення.

 

Згідно з поширеними моделями, в центрі галактики темна матерія мала б утворювати особливо щільні згустки. Але це не завжди так: «Чимало карликових та деякі тьмяні спіральні галактики в центрі мають темну матерію меншої густини», – пояснили Сяойон Чу (Xiaoyong Chu) та його колеги Австрійської академії наук.

 

Теоретично ці розбіжності могли б пояснити зіткнення частинок темної матерії: якщо вони стикаються, то відскакують і можуть навіть гасити одна одну. Тож згустки темної матерії в центрі галактики могли б ставати тоншими, гласить теорія.



Як правило, частинки темної матерії не взаємодіють одна з одною. Але за певної енергії вони резонують і можуть розсіюватися. Зображення:  Kavli IPMU.



Проблема полягає в тому, що в такому випадку темна матерія мала б взаємодіяти і бути тоншою у всіх галактичних ядрах, а не лише у карликових та спіральних, що відхиляються від моделей.

 

Та зараз Чу з командою, можливо, вдалося розв’язати проблему. Адже вони розробили модель, що пояснює, чому частинки темної матерії то взаємодіють і стикаються, то ні. Згідно з отриманими даними, зіткнення цих частинок стає можливим лише тоді, коли вони стикаються на визначеній, але незначній швидкості. Лише тоді настає резонанс, що уможливлює взаємодію.

 

У карликових галактиках темна матерія рухається радше повільно, тож частинки можуть розсіювати одна одну, пояснив Чу. «Це не відбувається в галактичних скупченнях, де частинки рухаються швидко. Вони мають набути певного резонансу, аби відбулося зіткнення», – сказав науковець. Він порівняв явище з резонансом гітарної струни, що здійснює спільні коливання з камертоном лише тоді, коли правильно налаштована.

 

«Спочатку ми були скептичні, коли думали, чи наша ідея зможе пояснити спостереження, – повідомив співавтор Каміло Ґарсія Келі (Camilo Garcia Cely) з Німецького електронного синхротона DESY. – Але коли ми її випробували, виявилося, що вона насправді функціонує».

 

Науковці з’ясували, що це резонансне розсіювання темної матерії може пояснити брак її маси у всіх аcтрофізичних порядках величини. Згідно з розробленою моделлю, резонанс настає тоді, коли енергія частинок близька до подвоєної маси.

 

Так теорія може допомогти з висновками про маси ще не відомих частинок темної матерії: науковці визначили, що сімпи (SIMPs, Strongly interacting Massive Particles) – частинки, існування яких доводять деякі вчені, – добре би вписалися у цю модель. Вони складаються з кварка та антикварка і мали б бути менші та легші, ніж сучасні фаворити у дискусіях, з чого складається темна матерія, – вімпи (WIMP, Weakly Interacting Massive Particle). Також сімпи мали б по-іншому, ніж вімпи, взаємодіяти один з одним під дією гравітації.

 

«Наразі нам відомо, що наша модель була б найпростішою розгадкою цієї загадки. Вона б могла суттєво допомогти у розвитку розуміння, що собою являє темна матерія», – сказав співавтор Гітоші Мураяма (Hitoshi Murayama) з Каліфорнійського університету в Берклі. Наступним кроком для вчених буде підтвердження своєї теорії спостереженнями і фактами.

 


Nadja Podbregar
Kann Dunkle Materie kollidieren?
Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe, Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY, 28.02.2019
Зреферувала С. К.

 

12.03.2019