Прорыв в темной материи.

Два численных моделирования, предсказывающих распределение темной материи вокруг галактики, похожей на наш Млечный Путь. На левой панели предполагается, что частицы темной материи двигались быстро в ранней Вселенной (теплая темная материя), а на правой панели предполагается, что частицы темной материи двигались медленно (холодная темная материя). 

Модель теплой темной материи предсказывает намного меньше маленьких сгустков темной материи, окружающих нашу Галактику, и, следовательно, намного меньше галактик-спутников, которые населяют эти маленькие сгустки темной материи. Измеряя количество галактик-спутников, ученые могут различать эти модели темной материи.

Наблюдения за карликовыми галактиками вокруг Млечного Пути одновременно выявили ограничения трех популярных теорий темной материи.

Группа ученых, возглавляемая космологами SLAC Министерства энергетики и лабораториями национальных ускорителей Ферми, наложила одни из самых жестких ограничений на природу темной материи, опираясь на коллекцию из нескольких десятков маленьких слабых галактик-спутников, вращающихся вокруг Млечного Пути.

Определить, какие виды темной материи могли привести к заселению галактик, которые мы видим сегодня.

Новое исследование важно не только из-за того, насколько сильно оно может сдерживать темную материю, но и из-за того, что оно может ограничивать, сказала Риза Векслер, директор Института астрофизики элементарных частиц и космологии Кавли (KIPAC) в SLAC и Стэнфордском университете.

«Одна из вещей, которые я считаю действительно захватывающей, — это то, что мы действительно можем начать исследовать три самые популярные теории темной материи одновременно», — сказала она.

Темная материя составляет 85 процентов материи во Вселенной и очень слабо взаимодействует с обычной материей, за исключением гравитации. Его влияние можно увидеть в формах галактик и в крупномасштабной структуре Вселенной, но никто точно не знает, что такое темная материя. 

В новом исследовании исследователи сосредоточились на трех широких возможностях природы темной материи: относительно быстро движущаяся или «теплая» темная материя; другая форма «взаимодействующей» темной материи, которая отталкивает протоны достаточно, чтобы нагреться в ранней Вселенной, с последствиями для формирования галактик; и третья, чрезвычайно легкая частица, известная как «нечеткая темная материя», которая с помощью квантовой механики эффективно простирается на тысячи световых лет.

Чтобы проверить эти модели, исследователи сначала разработали компьютерное моделирование темной материи и ее влияния на формирование относительно крошечных галактик внутри более плотных участков темной материи, обнаруженных вокруг более крупных галактик.

«Слабые галактики являются одними из самых ценных инструментов, которые мы должны знать о темной материи, потому что они чувствительны сразу к нескольким из ее фундаментальных свойств», — сказал Итан Надлер, ведущий автор исследования и аспирант Стэнфордского университета и SLAC. 

Например, если темная материя движется слишком быстро или накопила слишком много энергии в результате давних взаимодействий с нормальной материей, эти галактики вообще не образуются. То же самое и с нечеткой темной материей, которая, если ее достаточно растянуть, уничтожит возникающие галактики с помощью квантовых флуктуаций.

Сравнивая такие модели с каталогом тусклых карликовых галактик из Обзора Темной Энергии и Панорамного обзора Телескопа и Системы быстрого реагирования, или Pan-STARRS, исследователи смогли установить новые ограничения на вероятность таких событий.

Фактически, эти ограничения настолько сильны, что они начинают ограничивать те же возможности темной материи, которые сейчас исследуются в экспериментах по прямому обнаружению — и с новым потоком данных из Обсерватории Рубина Legacy Survey of Space and Time, который ожидается в ближайшие несколько лет, ограничения будут только ужесточаться.

«Приятно наблюдать, как проблема темной материи подвергается атаке с самых разных экспериментальных точек зрения», — сказал Фермилаб и ученый из Чикагского университета Алекс Дрлика-Вагнер, сотрудник Исследования темной энергии и один из ведущих авторов статьи. «Это важное измерение для DES, и я очень надеюсь, что будущие космологические обзоры помогут нам разобраться в том, что такое темная материя».

Тем не менее, сказал Надлер, «предстоит еще много теоретической работы». 

Во-первых, существует ряд моделей темной материи, включая предложенную форму, которая может сильно взаимодействовать сама с собой, и исследователи не уверены в последствиях для формирования галактик. Есть и другие астрономические системы, такие как звездные потоки, которые могут раскрыть новые детали при столкновении с темной материей.