Астрономы обнаружили новую связь между темной материей и галактической нитью

Результат устанавливает новую связь между этими двумя давними проблемами астрономии, открывая новые возможности для понимания космоса.

Исследование предполагает, что «проблема комковатости», которая сосредоточена на неожиданно равномерном распределении материи в больших масштабах по всему космосу, может быть признаком того, что темная материя состоит из гипотетических сверхлегких частиц, называемых аксионами. Значение доказательства существования трудно обнаруживаемых аксионов выходит за рамки понимания темной материи и может ответить на фундаментальные вопросы о природе самой Вселенной.

«Если это подтвердится будущими телескопическими наблюдениями и лабораторными экспериментами, обнаружение аксионной темной материи станет одним из самых значительных открытий этого века», — говорит ведущий автор Кейр Роджерс, научный сотрудник Данлэпского института астрономии и астрофизики на факультете искусств и науки в Университете Торонто.

«В то же время наши результаты предлагают объяснение того, почему Вселенная менее комковатая, чем мы думали, наблюдение, которое становится все более ясным за последнее десятилетие, и в настоящее время оставляет нашу теорию Вселенной неопределенной».

Темная материя, составляющая 85 процентов массы Вселенной, невидима, поскольку не взаимодействует со светом. Ученые изучают его гравитационное воздействие на видимую материю, чтобы понять, как она распределяется во Вселенной.

Ведущая теория предполагает, что темная материя состоит из аксионов, которые в квантовой механике описываются как «нечеткие» из-за волнообразного поведения. В отличие от дискретных точечных частиц, у аксионов длина волны больше, чем целые галактики. Эта нечеткость влияет на формирование и распределение темной материи, потенциально объясняя, почему Вселенная менее громоздкая, чем предсказывалось во Вселенной без аксионов.

Это наблюдалось в крупных обзорах галактик, что ставит под сомнение другую преобладающую теорию о том, что темная материя состоит только из тяжелых, слабо взаимодействующих субатомных частиц, называемых вимпами. Несмотря на такие эксперименты, как Большой адронный коллайдер, никаких доказательств существования вимпов найдено не было.

«В науке именно тогда, когда рушатся идеи, делаются новые открытия и решаются старые проблемы», — говорит Роджерс.

Для исследования ученые проанализировали наблюдения за реликтовым светом Большого взрыва (космический микроволновый фон (CMB), полученный в результате исследований Planck 2018, космологического телескопа Atacama и телескопа Южного полюса.

Исследователи сравнили эти данные реликтового излучения с данными о скоплении галактик из Спектроскопического обзора барионных колебаний (BOSS), которое отображает положение примерно миллиона галактик в соседней Вселенной. Изучая распределение галактик, которое отражает поведение темной материи под действием гравитационных сил, они измерили колебания количества материи во Вселенной и подтвердили ее меньшую комковатость по сравнению с предсказаниями.

Затем исследователи провели компьютерное моделирование, чтобы предсказать появление реликтового света и распределение галактик во Вселенной с длинными волнами темной материи. Эти расчеты согласуются с данными реликтового излучения Большого взрыва и данными о скоплении галактик, подтверждая идею о том, что нечеткие аксионы могут объяснить проблему комковатости.

Будущие исследования будут включать крупномасштабные исследования для картирования миллионов галактик и обеспечения точных измерений комковатости, включая наблюдения в течение следующего десятилетия с помощью обсерватории Рубин.

Исследователи надеются сравнить свою теорию с прямыми наблюдениями за темной материей с помощью гравитационного линзирования — эффекта, при котором комковатость темной материи измеряется тем, насколько сильно она отклоняет свет от далеких галактик, подобно гигантскому увеличительному стеклу. Они также планируют исследовать, как галактики выбрасывают газ в космос и как это влияет на распределение темной материи, чтобы еще больше подтвердить свои результаты.

Понимание природы темной материи — один из самых актуальных фундаментальных вопросов и ключ к пониманию происхождения и будущего Вселенной.

В настоящее время у ученых нет единой теории, которая одновременно объясняет гравитацию и квантовую механику — теорию всего. Самой популярной теорией всего за последние несколько десятилетий является теория струн, которая постулирует еще один уровень ниже квантового, где все состоит из струноподобных возбуждений энергии. По словам Роджерса, обнаружение нечеткой аксионной частицы может быть намеком на то, что струнная теория верна.

«Теперь есть инструменты, которые могут позволить нам экспериментально понять кое-что о вековой тайне темной материи, даже в следующем десятилетии, и это даст нам подсказки к ответам на еще более важные теоретические вопросы», — говорит Роджерс. «Надежда состоит в том, что загадочные элементы Вселенной разрешимы».