eso1514ru — Научный релиз

Первые свидетельства негравитационных взаимодействий в темной материи?
Возможно, темная материя на самом деле не такая уж темная
15 апреля 2015 г.
В ходе наблюдений сталкивающихся галактик на Очень Большом Телескопе ESO и Космическом Телескопе Хаббла NASA/ESA, возможно, впервые наблюдалось негравитационное взаимодействие темной материи с другой темной материей. Получены новые интригующие данные об этом таинственном компоненте нашей Вселенной.
Группа астрономов изучала процесс столкновения сразу четырех галактик в скоплении галактик Abell 3827. Использовался приемник MUSE, установленный на телескопе ESO VLT в Чили, а также изображения, полученные на орбитальном телескопе Хаббла. С помощью этих инструментов ученые смогли установить распределение массы в системе сталкивающихся галактик и сравнить его с распределением светящегося вещества.
Несмотря на то, что темная материя невидима, ее положение можно было выявить благодаря влиянию ее гравитации на траекторию световых лучей, идущих от галактик, расположенных дальше по лучу зрения — явление, называемое гравитационным линзированием. Прямо на луче зрения, на котором находятся сталкивающиеся галактики, оказалась более далекая галактика фона; свет от нее по пути к Земле проходит через область, где происходит столкновение. Масса сталкивающихся галактик заметно искажает пространство-время, и в результате траектория световых лучей от фоновой галактики искривляется.
Согласно нашим теперешним представлениям, все галактики погружены в облака темной материи. Если бы не сдерживающее влияние ее тяготения, галактики, в том числе и наш Млечный Путь, разлетелись бы в процессе своего вращения в разные стороны под действием центробежных сил. Этого не происходит именно потому, что 85 процентов массы Вселенной [1] составляет темная материя. Но природa ее остается загадкой.
В ходе данного исследования ученые выполнили наблюдения всех четырех сталкивающихся галактик и обнаружили, что одно из облаков темной материи как бы «отстало» от своей галактики примерно на 5000 световых лет (50 000 миллионов миллионов километров). Чтобы отойти от нашей Галактики Млечного Пути на такое расстояние, космическому кораблю NASA «Вояджер» понадобилось бы 90 миллионов лет.
Такое отставание темной материи от связанной с ней галактики во время галактических столкновений теория предсказывает в том случае, когда темная материя взаимодействует с самой собой (хоть и очень слабо) посредством негравитационных сил [2]. Случаев, когда темная материя взаимодействует посредством сил, отличных от сил гравитации, никогда раньше не наблюдали.
Основной автор работы Ричард Мэсси (Richard Massey) из Дарэмского университета объясняет: “Раньше мы думали, что темная материя просто окружает галактики и ни во что не вмешивается, проявляется только своим гравитационным притяжением. Но если бы оказалось, что во время этого столкновения темная материя тормозится, это могло бы стать первым свидетельством того, что в «темной зоне», в окружающей нас скрытой Вселенной, идут сложные физические процессы.”
Исследователи отмечают, что нужны дальнейшие исследования для обнаружения других эффектов, которые тоже могут привести к такому запаздыванию. Придется провести похожие наблюдения других галактик, смоделировать столкновение галактик на компьютере.
Член исследовательского коллектива Лилия Уильямс (Liliya Williams) из университета Миннесоты добавляет: “Мы знаем, что темная материя существует, потому, что видим проявления ее гравитационного притяжения, которое определяет структуру Вселенной. Но мы все еще поразительно мало знаем о том, что темная материя по сути такое. Наши наблюдения показывают, что темная материя может проявляться не только через гравитационное взаимодействие, но и посредством сил другой природы, а это значит, что некоторые принципиальные объяснения природы темной материи теперь могут быть отброшены.”
Этот вывод связан с последними исследованиями, выполненными группой. Астрономы провели наблюдения 72 столкновений между скоплениями галактик [3] и обнаружили, что темная материя взаимодействует сама с собой очень слабо. Однако в новой работе рассматриваются движения отдельных галактик, а не скоплений. Исследователи говорят, что столкновения между этими галактиками, возможно, продолжались дольше, чем те, что наблюдались в предыдущем исследовании. За это время влияние даже очень слабых сил трения смогло накопиться и создать заметное запаздывание темной материи по отношению к связанной с ней галактике [4].
В сочетании друг с другом эти два результата впервые позволяют наложить определенные ограничения на поведение темной материи: взаимодействия оказываются сильнее некоторого предела, но слабее другого. “Наконец, нам удалось взять темную материю в «вилку», ограничить параметры ее взаимодействий и сверху, и снизу”, -- говорит Мэсси.
Примечания
[1] Астрономы выяснили, что из общей массы и энергии Вселенной 68% приходится на долю темной энергии, 27% составляет темная материя и только 5% -- обычное вещество. Таким образом, цифра 85% соответствует общей доле темной составляющей Вселенной.
[2] Cкомпьютерное моделирование показывает, что избыточное трение при столкновении галактик замедляет движение темной материи. Природа этого замедления неясна; оно может быть вызвано как хорошо известными эффектами, так и какими-либо экзотическими доселе неизвестными силами. Все, что можно сказать сейчас по этому поводу – что это не тяготение.
[3] В скоплениях галактик может находиться до тысячи отдельных галактик.
[4] Главным источником неопределенности в этом результате является продолжительность столкновения: трение, которое замедлило движение темной материи, могло быть либо очень слабым, но действующим на протяжении более миллиарда лет, либо относительно сильным и действующим на протяжении “всего” 100 миллионов лет.