Почему гигантское скопление галактик Эль-Гордо появилось так рано?

Скопление галактик Эль-Гордо — по-испански «толстяк» — расположено примерно в семи миллиардах световых лет от Земли. Его общая масса превышает два квадриллиона масс Солнца, и астрономы видят две области, которые сейчас сталкиваются друг с другом. Для ранней Вселенной это неожиданно много: такой крупный объект просто не должен был успеть сформироваться. Возможно, разгадка кроется в необычном поведении тёмной материи.

Эль-Гордо как космический парадокс

Эль-Гордо получил прозвище «Толстяк» не случайно. Это настоящая аномалия: общая масса системы — более двух квадриллионов солнечных, и внутри неё продолжают сталкиваться два массивных компонента. По оценкам, столкновение происходит на огромной скорости, хотя точные цифры пока остаются размытыми. Сочетание массы, расстояния и скорости делает объект серьёзным вызовом для стандартной космологической модели.

В картине холодной тёмной материи крупные структуры растут постепенно, набирая вещество из окружающего пространства. Эль-Гордо существовал, когда возраст Вселенной составлял менее половины нынешнего. Для стандартной теории это слишком рано. Именно поэтому скопление часто используют как природный тест для альтернативных моделей.

Что такое самодействующая тёмная материя

Большинство взаимодействий обычного вещества сводится к электромагнетизму. Тёмная материя со светом почти не взаимодействует, поэтому её называют тёмной. Но может ли она сталкиваться сама с собой? В привычной картине считается, что нет: частицы тёмной материи холодные, то есть медленные. Если бы они часто сталкивались, их кинетическая энергия росла бы, и вещество нагревалось.

Представьте воздух в комнате. Молекулы упруго сталкиваются друг с другом, но почти не теряют энергию, поэтому температура остаётся постоянной. По такому принципу работают большинство моделей самодействующей тёмной материи. Аббревиатура SIDM как раз описывает этот класс гипотез. Однако обычные упругие столкновения не решают проблему Эль-Гордо.

Два состояния вместо одного

Новая работа предлагает частицу тёмной материи с двумя состояниями: основным и возбуждённым. Большинство столкновений остаются упругими, как у молекул воздуха. Но при определённой энергии удар может перевести частицу в возбуждённое состояние, забрав часть кинетической энергии из системы.

Такой механизм позволяет тёмной материи одновременно концентрироваться и охлаждаться. Это именно то, что нужно для быстрого появления массивного скопления вроде Эль-Гордо. Частицы не просто разлетаются после соударений, а частично застревают и образуют плотные сгустки.

Что показали симуляции столкновения

Автор работы Риккардо Валдарнини провёл гидродинамические симуляции двух сталкивающихся областей Эль-Гордо. В расчётах сравнивались три варианта поведения невидимого вещества:

• без самодействия;
• только с упругими столкновениями;
• с двухстадийным механизмом и неупругими переходами.

Данные наблюдений лучше всего воспроизводит именно двухстадийная модель. Она заметно превосходит и вариант с полным отсутствием взаимодействий, и вариант с чисто упругими ударами. Это весомый аргумент в пользу того, что частицы тёмной материи устроены сложнее, чем думали раньше. Результаты исследования опубликованы в журнале The Astrophysical Journal, а краткий обзор доступен на сайте Phys.org.

Место для сомнений и неопределённости

У любой красивой теории есть слабое место. В данном случае это точные параметры самого Эль-Гордо. Масса скопления и скорость сближения компонентов известны с большим разбросом значений. Если реальная масса окажется ближе к нижней границе оценок, двухстадийная модель перестанет соответствовать наблюдениям.

Это возможное решение, а не окончательный ответ. Пока частицы тёмной материи не удастся зарегистрировать напрямую, у астрономов останется широкий набор гипотез.

Поэтому выводы стоит воспринимать как осторожную гипотезу. Модель хорошо объясняет наблюдаемую картину, но не закрывает вопрос окончательно. Более точные оценки массы могут появиться после новых наблюдений за далёкими скоплениями.

Будущие обзоры неба помогут найти похожие объекты и проверить предсказания новой теории.

А если появятся ещё более массивные структуры? Тогда, возможно, придётся пересматривать не только свойства тёмной материи, но и сам сценарий формирования крупномасштабной структуры космоса.