Если темная материя не взаимодействует с нормальной материей или светом, как она может нагреваться?
Одной из величайших космических загадок нашего времени является присутствие и существование темной материи. В отличие от обычной материи, состоящей из известных частиц, которые могут излучать, поглощать или иным образом взаимодействовать со светом и другими известными частицами, темная материя просто проходит сквозь себя и все остальное. Насколько мы можем судить, он совершенно невидим, за исключением одного эффекта: кажется, что он обладает гравитационной массой. Он влияет на кривизну пространства-времени и удерживает вместе галактики, скопления галактик и великую космическую паутину.
Когда мы запускаем наши симуляции, мы получаем очень конкретные прогнозы для структур, которые должна формировать темная материя. Космическая паутина выстраивается, а меньшие галактические масштабы - нет. Давно преподносимая как самая большая проблема холодной темной материи, ученые нашли решение: темная материя нагревается звездами. Вот история того, как это происходит.
Представьте Вселенную такой, какой она могла бы быть на самых ранних стадиях после Большого взрыва. Оно горячее, плотное, полное материи и излучения. Только вместо частиц вы можете думать исключительно о субатомных частицах, из которых состоят, например, атомы, тёмной материи в пять раз больше. В те ранние времена частицы обычной материи сталкивались друг с другом и с фотонами, но темная материя проходила сквозь все, отказываясь сталкиваться.
Как будто темная материя на 100% проницаема: через нее проходит обычная материя, через нее проходит антиматерия, через нее проходят фотоны, через нее проходят даже другие частицы темной материи. Только потому, что темная материя холодная или движется очень медленно по сравнению со скоростью света, она может в конечном итоге собраться в гравитационные сгустки. Со временем он делает именно это, втягивая обычную материю в гравитационные колодцы, которые он создал в ранние времена.
Итак, мы получаем Вселенную, населенную областями пространства, содержащими сфероидальное распределение материи: как нормальное, так и темное. Со временем обычная материя будет сталкиваться с другими частицами нормальной материи и слипаться, образуя молекулы, облака газа и испуская излучение. Обычная материя на основе атома будет опускаться в центр каждой такой области, где она обычно образует вращающуюся дискообразную форму: то, что мы знаем как галактику.
Между тем темная материя ни на что подобное не способна. Он остается в большом рассеянном ореоле, окружающем саму галактику. Это не должно зависеть от размера или масштаба галактики, как показывают симуляции. Независимо от того, насколько массивна галактика в целом, должен быть ореол темной материи, простирающийся в космос в десять или более раз над самим диском. Это верно для галактик размером с Млечный Путь, более крупных и даже крошечных карликовых галактик.
Это стандартная картина: она является краеугольным камнем современной астрофизики уже более 20 лет. Но недавно наблюдения за карликовыми галактиками - галактиками от 0,1% до 1% массивнее нашей собственной галактики - показали, что эта идея универсального профиля темной материи не очень хорошо согласуется с данными. В частности, многие из этих галактик демонстрируют доказательства того, что в самих недрах этих галактик или в их центральных ядрах меньше темной материи, чем предсказывает это моделирование.
Если мы запустим наше моделирование галактики только с темной материей, этого не может быть. Но если взять то, что мы уже знаем:
- что тёмная материя не взаимодействует ни сама с собой, ни с нормальной материей, ни с излучением,
- что нормальная материя может взаимодействовать сама с собой и с излучением, но не темная материя,
- и что нормальная материя и темная материя могут общаться через силу гравитации,
появляется возможное решение.
Думать об этом можно, представив себе, что происходит с обычной материей в центре этой галактики, когда она образует большое количество новых звезд. Присутствующий газ сжимается, создает новые звезды различной массы и начинает испытывать излучение, исходящее от молодых звезд, которые недавно там образовались.
Это самые горячие и массивные звезды, которые излучают больше всего излучения, и эти звезды также излучают частицы материи. Эти звездные ветры отталкивают газ и пыль от центра галактики, придавая ей прирост кинетической энергии. Вся эта нормальная материя сконцентрировалась в ядре галактики, и этот новый важный всплеск звездообразования оттолкнул ее. В центре галактики теперь меньше материи - нормальной материи, то есть - чем было раньше.
Что будет дальше?
Ну, подумайте, что случилось бы с планетами Солнечной системы, если бы вы удалили большое количество массы из Солнца. Именно эта большая центральная масса удерживает их на стабильных, почти круговых орбитах. Если бы масса увеличилась, они бы закручивались внутрь; если бы масса уменьшилась, они бы закручивались наружу.
Когда галактики формируют звезды, центральная область как бы теряет массу, из-за чего все вещество вокруг нее испытывает меньшее гравитационное притяжение. Да, нормальная материя выбрасывается из-за радиации, ветра и давления. Однако, как только это уходит из центра, вся материя , как нормальная, так и темная , имеет меньше гравитационного притяжения, чтобы удерживать ее на месте. Единственный выход - перейти на более высокую, менее жестко связанную орбиту.
Этот эффект известен как «нагрев темной материи». Дело не в том, что какое-то излучение звезд или какое-то количество тепла от обычной материи передается самой темной материи; он не включает передачу температуры или энергии напрямую.
Вместо этого происходит то, что дополнительная энергия, сообщаемая обычной материи, выбрасывает ее оттуда, где она прежде была наиболее сконцентрирована: в галактическом центре. Как только эта нормальная материя удаляется из галактического центра, становится меньше массы, чтобы удерживать темную материю на месте, и она тоже должна двигаться на более высокую, менее жестко связанную орбиту. Поскольку темная материя выталкивается и перемещается на более высокую, более энергетическую орбиту, это имеет тот же эффект, как если бы темная материя получила дополнительный выброс энергии. На самом деле не жарче, чем раньше, но эффекты идентичны.
В течение своей жизни галактики всех типов испытывают несколько циклов втекания и вытекания газа из центральных областей. Когда концентрация газа достигает очень высокого уровня, это может вызвать образование новых звезд; когда концентрация газа достигает низкого уровня, новое звездообразование невозможно.
Так что же это означает для карликовых галактик, которые вы на самом деле найдете, если эта идея верна?
Это означает, что если бы в галактике было всего несколько небольших вспышек центрального звездообразования, темная материя в ядре не сильно нагрелась бы. Большая часть все еще будет присутствовать. Можно ожидать относительно высокое содержание темной материи в центрах карликовых галактик, в центрах которых очень мало звездообразования.
Но если бы галактика сформировала большое количество звезд за свою историю, вместо этого вы ожидали бы, что газ и материя вблизи центра галактики будут в значительной степени выброшены, что подтолкнет темную материю к более высокому уровню. орбиты и изменяет предполагаемый профиль массы галактики. Практически все галактики имели фазы вспышек звездообразования в течение первых нескольких миллиардов лет, но наименее активные из них были спокойны в последующие миллиарды лет. Другими словами, богатая история недавнего звездообразования должна привести к маломассивному ядру темной материи в карликовых галактиках, в то время как исключительно древнее звездообразование должно привести к более массивным ядрам.
Это именно то, что команда под руководством Джастина Рида обнаружила в новом исследовании, опубликованном в январе. По словам доктора Рида:
Мы обнаружили действительно замечательную связь между количеством темной материи в центрах этих крошечных карликов и количеством звездообразования, которое они испытали за свою жизнь. Темная материя в центрах звездообразующих карликов, по-видимому, была «нагрета» и вытолкнута наружу.
Это впечатляющий пример более сложной симуляции, объясняющей явление, которое не могли объяснить предыдущие симуляции, основанные на более наивных предположениях.
Традиционно темная материя была основным объяснением явлений, которые мы наблюдаем в больших космических масштабах. Она объясняет флуктуации космического микроволнового фона, крупномасштабную структуру Вселенной и поведение скоплений и групп галактик так, как не может никакая альтернатива. Однако мельчайшие галактические масштабы оказались проблематичными для моделирования темной материи, что заставило многих усомниться в его достоверности.
Это новое открытие представляет собой захватывающий случай, когда теория и наблюдения идеально совпадают, как только проведены более точные расчеты. Это может, наконец, решить одну из самых больших проблем темной материи: объяснить поведение самых маленьких галактик во Вселенной. Даже без прямой передачи энергии на темную материю влияет гравитация всего, что ее окружает. Если звездообразование перемещает массу, темная материя тоже будет двигаться. Холодная темная материя косвенно нагревается звездами. Наконец-то мы наконец понимаем, как это сделать.