Хотя темная материя считается основой структуры Вселенной, ученые очень мало знают о ее природе, поскольку частицы до сих пор ускользают от обнаружения.
Теперь ученые из Массачусетского технологического института, Принстонского и Кембриджского университетов обнаружили, что ранняя Вселенная и самые первые галактики выглядели очень по-разному в зависимости от природы темной материи. Впервые команда смоделировала, как могло бы выглядеть раннее формирование галактик, если бы темная материя была «нечеткой», а не холодной или теплой.
В наиболее распространенном сценарии темная материя – это холодная материя, состоящая из медленно движущихся частиц, которые, помимо гравитационных эффектов, не взаимодействуют с обычной материей. Считается, что теплая темная материя является немного более легкой и быстрой версией холодной темной материи.
А нечеткая темная материя, относительно новая концепция, представляет собой нечто совершенно иное, состоящее из сверхлегких частиц, каждая из которых составляет около 1 октиллионной (10-27) массы электрона (холодная частица темной материи намного тяжелее – примерно в 105 раз массивнее. чем электрон).
В своем моделировании исследователи обнаружили, что если темная материя холодная, то галактики в ранней Вселенной сформировались бы в почти сферических гало. Но если природа темной материи нечеткая или теплая, ранняя Вселенная выглядела бы совсем иначе: галактики сначала формировались из протяженных хвостовидных нитей.
В нечеткой вселенной эти волокна выглядели бы полосатыми, как струны на арфе, освещенные звездами.
По мере появления новых телескопов, способных заглядывать в раннюю Вселенную, ученые, возможно, смогут определить, исходя из модели формирования галактик, является ли природа темной материи, которая сегодня составляет почти 85 процентов материи в мире. Вселенная нечеткая, а не холодная или теплая.
«Первые галактики в ранней Вселенной могут пролить свет на то, какой тип темной материи мы имеем сегодня», – говорит Марк Фогельсбергер, доцент физики Института астрофизики и космических исследований им. Кавли Массачусетского технологического института. "Либо мы видим этот узор волокон, и нечеткая темная материя правдоподобна, либо нет, и мы можем исключить эту модель. Теперь у нас есть план, как это сделать."
Фогельсбергер является соавтором статьи, опубликованной в Physical Review Letters, вместе с ведущим автором статьи Филипом Мочом из Принстонского университета и Анастасией Фиалковой из Кембриджского университета, а ранее из Университета Сассекса.
Нечеткие волны
Хотя темная материя еще не была обнаружена напрямую, гипотеза, описывающая темную материю как холодную, оказалась успешной при описании крупномасштабной структуры наблюдаемой Вселенной. В результате модели образования галактик основаны на предположении, что темная материя холодная.
«Проблема в том, что есть некоторые расхождения между наблюдениями и предсказаниями холодной темной материи», – отмечает Фогельсбергер. "Например, если вы посмотрите на очень маленькие галактики, предполагаемое распределение темной материи в этих галактиках не совсем согласуется с тем, что предсказывают теоретические модели. Так что там есть напряжение."
Итак, рассмотрим альтернативные теории темной материи, включая теплую и нечеткую, которые исследователи предложили в последние годы.
«Природа темной материи до сих пор остается загадкой», – говорит Фиалков. "Нечеткая темная материя мотивирована фундаментальной физикой, например теорией струн, и поэтому является интересным кандидатом на темную материю. Космические структуры являются ключом к проверке или исключению таких моделей темной материи."
Нечеткая темная материя состоит из частиц, которые настолько легкие, что действуют квантово, подобно волнам, а не как отдельные частицы. Эта квантовая, нечеткая природа, по словам Моча, могла привести к образованию ранних галактик, которые выглядят совершенно иначе, чем то, что предсказывают стандартные модели для холодной темной материи.
«Несмотря на то, что в поздней Вселенной эти различные сценарии темной материи могут предсказывать схожие формы для галактик, первые галактики будут совершенно разными, что даст нам ключ к пониманию того, что такое темная материя», – говорит Моч.
Чтобы увидеть, насколько разными могут быть холодная и нечеткая ранняя Вселенная, исследователи смоделировали небольшое кубическое пространство ранней Вселенной размером около 3 миллионов световых лет в поперечнике и прогнали его вперед во времени, чтобы увидеть, как будут формироваться галактики при одном из них. три сценария темной материи: холодный, теплый и нечеткий.
Команда начинала каждое моделирование с предположения об определенном распределении темной материи, о котором ученые имеют некоторое представление на основе измерений космического микроволнового фона – «реликтового излучения», которое было испущено и было обнаружено всего через 400000 лет после Большого Хлопнуть.
«Темная материя не имеет постоянной плотности даже в эти ранние времена», – говорит Фогельсбергер. "Есть крошечные возмущения поверх поля постоянной плотности."
Исследователи смогли использовать существующие алгоритмы для моделирования образования галактик в сценариях холодной и теплой темной материи. Но для моделирования нечеткой темной материи с ее квантовой природой им потребовался новый подход.
Карта струн арфы
Исследователи изменили свое моделирование холодной темной материи, позволив ему решить два дополнительных уравнения, чтобы смоделировать формирование галактик во Вселенной с нечеткой темной материей. Первое, уравнение Шредингера, описывает, как квантовая частица действует как волна, а второе, уравнение Пуассона, описывает, как эта волна генерирует поле плотности или распределение темной материи и как это распределение приводит к гравитации – силе, которая в конечном итоге притягивает материю, образуя галактики.
Затем они соединили эту симуляцию с моделью, описывающей поведение газа во Вселенной и то, как он конденсируется в галактики в ответ на гравитационные эффекты.
Во всех трех сценариях галактики образовывались там, где наблюдалась чрезмерная плотность или большая концентрация гравитационно коллапсированной темной материи.
Однако структура этой темной материи была разной, в зависимости от того, была ли она холодной, теплой или нечеткой.
В сценарии холодной темной материи галактики образовались в сферических гало, а также в субгало меньшего размера. Теплая темная материя породила первые галактики в виде хвостовидных волокон, а субгало не было. Это может быть связано с более легкой и быстрой природой теплой темной материи, из-за чего частицы с меньшей вероятностью будут оставаться в более мелких сгустках субгало.
Подобно теплой темной материи, нечеткая темная материя образовывала звезды вдоль нитей. Но затем квантовые волновые эффекты начали формировать галактики, которые образовали более полосатые нити, похожие на струны на невидимой арфе. Фогельсбергер говорит, что этот полосатый рисунок возникает из-за интерференции, эффекта, который возникает, когда две волны перекрываются. Когда это происходит, например, в световых волнах, точки, в которых совмещаются гребни и впадины каждой волны, образуют более темные пятна, создавая чередующийся узор из ярких и темных областей.
В случае нечеткой темной материи вместо ярких и темных точек он генерирует чередующийся узор из чрезмерно плотных и недостаточно плотных концентраций темной материи.
«Вы получите большое гравитационное притяжение при этих сверхплотностях, и газ последует за ним, и в какой-то момент сформирует галактики с этими сверхплотностями, а не с меньшими плотностями», – объясняет Фогельсбергер. "Эта картина будет воспроизведена во всей ранней Вселенной."
Команда разрабатывает более подробные прогнозы того, как могли выглядеть ранние галактики во Вселенной, где преобладала нечеткая темная материя. Их цель – предоставить карту для будущих телескопов, таких как космический телескоп Джеймса Уэбба, которые могут заглянуть достаточно далеко назад во времени, чтобы обнаружить самые ранние галактики.
Если они увидят нитевидные галактики, подобные тем, которые моделировали Моч, Фиалков, Фогельсбергер и их коллеги, это может быть первым признаком того, что природа темной материи нечеткая.
«Это наблюдательный тест, который мы можем предоставить для определения природы темной материи на основе наблюдений за ранней Вселенной, который станет возможным в ближайшие пару лет», – говорит Фогельсбергер.
Это исследование было частично поддержано НАСА.