Скопление галактик El Gordo находится в семи миллиардах световых лет от Земли. Внутри него сталкиваются две области, а общая масса превышает два квадриллиона масс Солнца. Для эпохи, когда Вселенная была примерно вдвое моложе нынешней, это слишком много: холодной тёмной материи в стандартной космологической картине трудно собрать такую громаду за отведённое время. Часть астрономов держит El Gordo как контрпример к стандартной модели.

Новая работа Риккардо Вальдарнини, опубликованная в The Astrophysical Journal (DOI 10.3847/1538-4357/ae9300), объясняет это через самовзаимодействующую тёмную материю (SIDM). О результате 16 октября сообщил phys.org со ссылкой на Universe Today.

Что именно предложено

Обычная материя в основном сталкивается упруго: молекулы воздуха в комнате отскакивают друг от друга почти без потерь энергии, поэтому температура держится постоянной. Будь столкновения неупругими, комната быстро остыла бы. Большинство моделей SIDM тоже предполагают упругий вариант, и результаты у них выходят смешанные.

Вальдарнини рассматривает модель с двумя состояниями частицы: основным и возбуждённым. Большая часть столкновений остаётся упругой, но при достаточной энергии удар переводит частицу в возбуждённое состояние и забирает часть кинетической энергии. Тёмная материя получает возможность одновременно и скучиваться, и остывать.

По N-body симуляциям сталкивающихся областей El Gordo двухсостояниевая модель с упругими и неупругими столкновениями лучше совпала с наблюдениями, чем невзаимодействующая и чисто упругая. Это и есть основной результат работы.

Представим, что две группы людей идут навстречу друг другу по коридору. Если они просто расступаются, толпа проходит насквозь и расходится. Если же при столкновении часть людей останавливается и сцепляется в пары, движение замедляется, а плотная группа растёт быстрее. Двухсостояниевая модель работает похожим образом: неупругие удары тормозят частицы и помогают им собраться. Аналогия условная и не описывает реальную физику столкновений.

Ограничения названы прямо. Точная масса El Gordo и скорость столкновения двух областей известны плохо. Если масса окажется на нижней границе диапазона, двухсостояниевая модель данным не подойдёт. Автор называет результат возможным решением, а не определённым. Пока частицы тёмной материи не наблюдают напрямую, открытыми остаются разные варианты.

Есть и более ранний контекст. В работе того же автора 2024 года в Astronomy & Astrophysics (DOI 10.1051/0004-6361/202348000) значения сечения SIDM, полученные из симуляций, вышли выше текущих верхних пределов, порядка единицы на масштабах скоплений. Тогда же было сказано, что SIDM-модели стоит считать приближением низшего порядка. Это ограничение относится к прошлой работе, но показывает сохраняющееся напряжение между подгонками SIDM и ограничениями на сечение.

Полный текст новой статьи по DOI недоступен: страница издателя отдаёт капчу вместо содержимого. Поэтому детали методологии и численные результаты проверить по первоисточнику не удалось, они известны только по изложению phys.org.

Если вы разбираете подобные сюжеты в собственной работе, для обзора литературы по космологии и физике тёмной материи пригодится подбор и разбор источников.

Схема показывает, как в двухсостояниевой модели тёмной материи упругие столкновения сменяются неупругими при достаточной энергии, что позволяет частицам одновременно собираться в скопления и терять кинетическую энергию.

Фото: WikiImages / Pixabay