Темная материя состоит из двух видов частиц? Новая теория ученых из Китая

Тёмная материя невидима, но её гравитационное влияние ощущается повсюду: она формирует галактики, диктует крупномасштабную структуру Вселенной. Однако стандартная модель холодной тёмной материи (CDM) всё чаще даёт сбои. В центрах некоторых карликовых галактик плотность тёмной материи оказывается подозрительно низкой, а в других местах, наоборот, аномально высокой — настолько, что искажает свет далёких галактик сильнее, чем предсказывают теории. Долгое время эти два наблюдения считались независимыми головоломками. Теперь физики из Китайской академии наук предложили единое объяснение, способное разрешить оба противоречия разом.

Парадоксы, которые не сходились

Первая загадка: в карликовых галактиках — маленьких, тусклых звёздных системах — тёмная материя распределена не так, как ожидалось. По расчётам CDM, в центре таких галактик должен быть резкий пик плотности (так называемый касп). Но наблюдения показывают плоское ядро — плотность там почти не растёт к центру. Вторая загадка: сильное гравитационное линзирование. Когда свет от очень далёких галактик проходит мимо массивных скоплений тёмной материи, он искривляется, создавая множественные изображения. Современные телескопы регистрируют такие события чаще, чем предсказывает стандартная модель. Получается, что в одном случае тёмная материя слишком «размазана», а в другом — слишком сжата. Как это совместить?

Две частицы вместо одной

Команда исследователей из обсерватории Цзыцзиньшань (Purple Mountain Observatory) под руководством Данэна Яна предложила иной взгляд на природу тёмной материи. Вместо одного сорта частиц — двух (а возможно, и больше). Их модель получила название two‑component self‑interacting dark matter — двухкомпонентная самовзаимодействующая тёмная материя. Частицы разной массы: одни тяжелее, другие легче. И, что принципиально, они могут сталкиваться не только через гравитацию, но и напрямую друг с другом. Это небольшое допущение кардинально меняет картину.

Взаимодействие запускает процесс, который учёные называют массовой сегрегацией. Тяжёлые частицы со временем стягиваются к центру галактики, лёгкие — вытесняются на периферию. Аналогия из астрономии — шаровые звёздные скопления: самые массивные звёзды постепенно мигрируют внутрь, а лёгкие — наружу. Только здесь роль «звёзд» играют невидимые частицы.

Как сообщается в исследовании, опубликованном в журнале Science Bulletin, этот механизм естественным образом воспроизводит оба наблюдения. В карликовых галактиках, где масса невелика, массовая сегрегация приводит к образованию рыхлых ядер с низкой плотностью — именно то, что видят астрономы. А в более крупных и сложных системах, где гравитация сильнее, тяжёлые частицы собираются в компактные сгустки, создавая мощные гравитационные линзы.

Что увидели на симуляциях

Физики провели серию высокоразрешающих компьютерных симуляций, совмещённых с детальным теоретическим моделированием. Результаты оказались обнадёживающими: модель с двумя компонентами не только объясняет низкую центральную плотность в карликовых галактиках, но и предсказывает повышенную вероятность событий сильного линзирования в масштабах галактических скоплений. Более того, она повышает шансы обнаружить так называемые мелкомасштабные линзы — когда тёмная материя искажает свет не огромным скоплением, а компактным субструктурным сгустком. Именно такие события традиционные модели недооценивают.

Это не первая работа команды на эту тему. Годом ранее они опубликовали статью в Physical Review D, где на примере карликовых галактик показали, как массовая сегрегация объясняет разброс плотностей тёмной материи в их центрах. Новая публикация расширяет рамки: теперь теория охватывает и редкие, но очень яркие гравитационные линзы.

Космические линзы как тест

Лучший способ проверить модель — дождаться новых обзоров неба. Будущие телескопы, такие как Euclid (ЕКА) и Nancy Grace Roman (NASA), будут регистрировать тысячи гравитационных линз с беспрецедентной точностью. Если двухкомпонентная тёмная материя верна, то среди этих линз окажется больше мелкомасштабных, чем ожидается по стандартному сценарию. Одновременно должны подтвердиться и низкие плотности в карликовых галактиках — их уже измеряют по движению звёзд.

Пока что теория остаётся гипотезой, но у неё есть важное преимущество: она не требует введения новых фундаментальных сил или экзотических частиц. Всё, что нужно — допустить, что тёмная материя состоит из нескольких сортов частиц разной массы, которые могут сталкиваться друг с другом. Идея настолько проста, что удивительно, почему её не проверили раньше.

Авторы работы — Данэн Ян, И-Чжун Фань, Сыюань Хоу и Юэ-Линь Смин Цай — признают, что модель ещё предстоит уточнить. Но если она подтвердится, это изменит наше представление о невидимой половине Вселенной. Тёмная материя может оказаться не однородной «серой массой», а сложной, динамичной субстанцией с собственной внутренней жизнью. И тогда вопрос не в том, видим ли мы её, а в том, насколько детально мы способны разглядеть её устройство.