Что происходит при столкновении частиц темной материи: астроном проверил на модели «Толстяка»
Скопление галактик Эль-Гордо помогло проверить гипотезу о том, что частицы темной материи могут сталкиваться друг с другом и при этом терять часть энергии движения. Астрофизик Риккардо Вальдарнини воспроизвел столкновение двух частей скопления в компьютерной модели. Расчеты лучше согласовались с наблюдениями, когда частицы не только отскакивали друг от друга, но и переходили в состояние с большей внутренней энергией. Работа вышла в журнале The Astrophysical Journal.
Эль-Гордо находится примерно в семи миллиардах световых лет от Земли. Оно состоит из двух скоплений, которые столкнулись друг с другом. Их общая масса превышает два квадриллиона масс Солнца — то есть два миллиона миллиардов. За такую массу система получила название El Gordo, что в переводе с испанского означает «Толстяк». Астрономам трудно объяснить, как столь массивный объект успел сформироваться на сравнительно раннем этапе истории Вселенной.
Темная материя составляет большую часть массы вещества во Вселенной. Она почти или совсем не взаимодействует со светом, поэтому телескопы не видят ее напрямую. При этом ее гравитация влияет на галактики. Открытым остается вопрос, могут ли частицы темной материи взаимодействовать друг с другом не только через гравитацию, но и через столкновения.
Вальдарнини проверил модель, в которой у частицы темной материи есть два состояния: основное и возбужденное. Во втором она обладает большей внутренней энергией. Если частицы сталкиваются с достаточной скоростью, часть энергии их движения может перейти во внутреннюю энергию. Частицы после такого столкновения движутся медленнее — в этом смысле темная материя охлаждается. Энергия при этом не исчезает, а меняет форму.
Этим неупругое столкновение отличается от упругого: при упругом столкновении суммарная энергия движения частиц сохраняется. В новой модели возможны оба процесса. Компьютерные расчеты показали, что такая комбинация лучше описывает наблюдаемые свойства Эль-Гордо, чем модели без столкновений частиц или только с упругими столкновениями. В частности, неупругие столкновения помогли воспроизвести распределение массы в двух частях системы, которое астрономы определяют по тому, как гравитация скоплений искажает свет далеких галактик.
Но совпадение модели с наблюдениями — еще не доказательство того, что темная материя устроена таким образом. Вывод зависит от массы скоплений и расстояния между центрами их темной материи на небесной проекции. Эти величины пока известны с погрешностями. Если будущие измерения покажут, что более массивное скопление относительно легкое, а центры темной материи разделяет большее расстояние, предложенную модель будет трудно согласовать с данными. Проверить гипотезу также помогут другие сталкивающиеся скопления галактик.
Самое популярное
