Физики предложили новую модель темной материи из двух состояний
Источник: ESA/Hubble & NASA. В созвездии Большой Медведицы находится Мессье 101 — галактика Вертушка. Это одна из самых крупных и ярких спиральных галактик на ночном небе. Как и Млечный Путь, Мессье 101 не одинока: рядом с ней находятся более мелкие карликовые галактики. Одна из таких карликовых галактик в группе Мессье 101 — NGC 5477 — и показана на этом снимке космического телескопа Hubble NASA и ESA. У нее нет четко выраженной структуры, но заметны признаки продолжающегося звездообразования, поэтому NGC 5477 очень похожа на типичную карликовую неправильную галактику. Яркие туманности, протянувшиеся по значительной части галактики, представляют собой облака светящегося водорода, в которых рождаются новые звезды. В действительности они имеют розовато-красный цвет, но из-за того, что снимок был сделан через зеленый и инфракрасный фильтры, на изображении они выглядят почти белыми. Эти наблюдения были выполнены в рамках проекта по более точному измерению расстояний до ряда галактик, расположенных примерно в пределах 30 миллионов световых лет от Земли. Для этого астрономы изучают яркость красных гигантов. Помимо NGC 5477, на снимке видно множество более далеких галактик на заднем плане, некоторые из них просматриваются даже прямо сквозь NGC 5477. Это еще раз напоминает, что галактики — не сплошные и непрозрачные объекты, а в основном состоят из огромных пустых пространств между звездами. Изображение составлено из нескольких экспозиций, полученных с помощью усовершенствованной обзорной камеры Hubble через зеленый и инфракрасный фильтры. Поле зрения снимка составляет примерно 3,3 на 3,3 угловой минуты.
МОСКВА, 10 апреля. /ТАСС/. Физики предложили новую модель темной материи, согласно которой она может состоять не из одного типа частиц, а из двух немного различающихся состояний. Такая схема позволяет объяснить, почему возможные следы темной материи видны в центре Млечного Пути, но не наблюдаются в карликовых галактиках. Результаты работы опубликованы в Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.
Как отмечают исследователи, одна из главных загадок современной астрофизики заключается в том, что темная материя составляет значительную часть вещества во Вселенной, но напрямую ее до сих пор никто не наблюдал. О ее существовании судят по тому, как она влияет на движение обычного вещества своей гравитацией.
Одна из популярных гипотез предполагает, что темная материя состоит из частиц. Если такие частицы сталкиваются друг с другом, они могут аннигилировать, то есть уничтожаться с выделением высокоэнергетического излучения — например, гамма-лучей. Именно такие сигналы астрономы и пытаются найти.
В последние годы ученые обсуждают избыток гамма-излучения, который наблюдается в окрестностях центра Млечного Пути. Одно из возможных объяснений — аннигиляция частиц темной материи. Однако есть и другое: этот сигнал могут создавать обычные астрофизические источники, например пульсары.
Чтобы отличить одно объяснение от другого, ученые ищут похожие сигналы в других объектах, прежде всего в карликовых галактиках. Эти небольшие и тусклые системы содержат много темной материи, но мало обычных источников излучения, поэтому считаются удобным местом для таких проверок.
Проблема в том, что в карликовых галактиках похожего сигнала пока не видно. В рамках самых простых моделей это стало бы аргументом против «темноматерного» объяснения излучения в центре Млечного Пути.
Авторы новой работы предложили более сложную схему. По их мнению, темная материя может состоять из двух разных частиц или состояний, и для аннигиляции им нужно встретиться друг с другом. Тогда важным становится не только общее количество темной материи, но и соотношение этих двух компонентов в каждой конкретной галактике.
«Мы хотим показать в этой статье, что зависимость от среды может быть другой, даже если вероятность аннигиляции в центре галактики постоянна. Темная материя вполне может состоять из двух разных частиц, и для аннигиляции этим двум частицам нужно встретиться», — пояснил один из авторов исследования, физик Фермилаб Гордан Крняич.
Если в Млечном Пути оба компонента представлены примерно поровну, то аннигиляция может идти заметно и давать гамма-излучение. А в карликовых галактиках соотношение может быть сильно смещено в пользу одного из компонентов. Тогда вероятность встречи двух разных частиц будет намного ниже, и заметного сигнала не возникнет.
По словам авторов, новая модель делает поиски темной материи более гибкими. Она показывает, что отсутствие сигнала в карликовых галактиках еще не означает, что гамма-излучение в центре нашей Галактики точно не связано с темной материей.
В будущем новые данные космического гамма-телескопа Fermi могут помочь уточнить ситуацию. Если гамма-излучение в карликовых галактиках все же будет обнаружено, это можно будет объяснить близким соотношением двух компонентов темной материи и там. Если сигнала не будет, это, наоборот, может говорить о сильном перекосе между ними.
Предложенную модель еще предстоит сравнить с более широким набором наблюдений.
Как отмечают исследователи, одна из главных загадок современной астрофизики заключается в том, что темная материя составляет значительную часть вещества во Вселенной, но напрямую ее до сих пор никто не наблюдал. О ее существовании судят по тому, как она влияет на движение обычного вещества своей гравитацией.
Одна из популярных гипотез предполагает, что темная материя состоит из частиц. Если такие частицы сталкиваются друг с другом, они могут аннигилировать, то есть уничтожаться с выделением высокоэнергетического излучения — например, гамма-лучей. Именно такие сигналы астрономы и пытаются найти.
В последние годы ученые обсуждают избыток гамма-излучения, который наблюдается в окрестностях центра Млечного Пути. Одно из возможных объяснений — аннигиляция частиц темной материи. Однако есть и другое: этот сигнал могут создавать обычные астрофизические источники, например пульсары.
Чтобы отличить одно объяснение от другого, ученые ищут похожие сигналы в других объектах, прежде всего в карликовых галактиках. Эти небольшие и тусклые системы содержат много темной материи, но мало обычных источников излучения, поэтому считаются удобным местом для таких проверок.
Проблема в том, что в карликовых галактиках похожего сигнала пока не видно. В рамках самых простых моделей это стало бы аргументом против «темноматерного» объяснения излучения в центре Млечного Пути.
Авторы новой работы предложили более сложную схему. По их мнению, темная материя может состоять из двух разных частиц или состояний, и для аннигиляции им нужно встретиться друг с другом. Тогда важным становится не только общее количество темной материи, но и соотношение этих двух компонентов в каждой конкретной галактике.
«Мы хотим показать в этой статье, что зависимость от среды может быть другой, даже если вероятность аннигиляции в центре галактики постоянна. Темная материя вполне может состоять из двух разных частиц, и для аннигиляции этим двум частицам нужно встретиться», — пояснил один из авторов исследования, физик Фермилаб Гордан Крняич.
Если в Млечном Пути оба компонента представлены примерно поровну, то аннигиляция может идти заметно и давать гамма-излучение. А в карликовых галактиках соотношение может быть сильно смещено в пользу одного из компонентов. Тогда вероятность встречи двух разных частиц будет намного ниже, и заметного сигнала не возникнет.
По словам авторов, новая модель делает поиски темной материи более гибкими. Она показывает, что отсутствие сигнала в карликовых галактиках еще не означает, что гамма-излучение в центре нашей Галактики точно не связано с темной материей.
В будущем новые данные космического гамма-телескопа Fermi могут помочь уточнить ситуацию. Если гамма-излучение в карликовых галактиках все же будет обнаружено, это можно будет объяснить близким соотношением двух компонентов темной материи и там. Если сигнала не будет, это, наоборот, может говорить о сильном перекосе между ними.
Предложенную модель еще предстоит сравнить с более широким набором наблюдений.
