Ученые решили проблему темной материи, наградив Вселенную четвертым измерением

Вселенная, четвертое измерение, темная материя
Фото: sci-fitechx

На протяжении долгих лет исследователи не могли объяснить загадку распространения темной материи в галактиках.

Темная материя может быть еще более странной, чем предполагалось. Космологи считают, что загадочное вещество, на которое приходится более 80% массы Вселенной, может взаимодействовать с самим собой. Об этом сообщает LiveScience.

"Мы живет в океане темной материи, но мы очень мало знаем о том, чем она является", – заявил доцент кафедры физики и астрономии Калифорнийского университета Флип Танедо.

Все попытки объяснить темную материю с использованием известной физики терпели неудачу, поэтому Танедо и его коллеги разработали экзотические модели, которые могут лучше соответствовать имеющимся наблюдениям. Они предположили, что темная материя взаимодействует сама с собой через континуум сил, действующих в пространстве с большим количеством измерений, чем известные три.

Несмотря на свою экстраординарность, такая модель лучше объясняет поведение звезд в маленьких галактиках, чем традиционные представления о темной материи.

Маленькие галактики, большие проблемы

Хотя космологи не знают, что такое темная материя, им известны некоторые ее свойства. Наблюдения показывают, что темная материя состоит из частиц нового типа, ранее неизвестных физике. Эти частицы заполняют каждую галактику, составляя более 80% их массы.

Данные частицы не должны сильно взаимодействовать со светом, если вообще взаимодействуют (иначе бы это уже отразилось в астрономических наблюдениях). И они не должны сильно взаимодействовать с обычно материей, если вообще взаимодействуют (иначе это было бы видно в экспериментах на коллайдере).

Объединив эти свойства, космологи могут построить сложные компьютерные модели эволюции крупных структур во Вселенной. Такие симуляции обычно соответствуют имеющимся реальным наблюдениям, но с одной оговоркой. Модели ученых предсказывает резкий рост плотности темной материи в маленьких галактиках вблизи их центра (острый пик, cusp), тогда как наблюдаемые в реальности кривые вращения указывают скорее на постоянное распределение (то есть ядро, core).

темная материя, галактики, Вселенная
Фото: ESA

Такое несоответствие было занозой в исследованиях темной материи на протяжении десятилетий. Успешная модель темной материи должна объяснять поведения малых и больших галактик, наряду со всеми остальными наблюдениями за темной материей.

Одна из таких моделей называется самовзаимодействующей темной материей (SIDM). Как следует из названия, модель предсказывает, что темная материя иногда взаимодействует сама с собой. Иными словами, частицы темной материи могут иногда отскакивать друг от друга или даже аннигилировать. Такое взаимодействие сглаживает области высокой плотности темной материи, исключая "острый пик".

Темные силы

Проблему можно было бы считать решенной, если бы не один нюанс. Модель самовзаимодействующей темной материи имеет некоторые проблемы с другими наблюдениями. Например, такими как гравитационное линзирование галактик (когда гравитация огромного количества материи искажает и увеличивает свет от определенных галактик позади нее) и рост галактик в ранней Вселенной.

Однако все эти модели основаны на известных физических взаимодействиях, которые происходят с помощью одной из четырех фундаментальных сил природы. Электроны взаимодействуют друг с другом посредством электромагнитной силы. Кварки взаимодействуют друг с другом посредством так называемого сильного взаимодействия. И так далее. Такой процесс пока не удается экстраполировать в сферу темной материи.

темная материя, Вселенная
Фото: E R Fuller/National Science Foundation

Танедо и его коллеги создали новую модель, в которой позволили неизвестными силам вступить в игру.

"Цель моей исследовательской программы на последние два года – расширить идею "разговора" между темной материей и темными силами. За последнее десятилетие физики пришли к пониманию того, что скрытые темные силы могут регулировать взаимодействие темной материи. Они могут полностью переписать правила того, как следует искать темную материю", – отмечает Танедо.

Подход Танедо к изучению темной материи включает в себя две удивительные особенности. Во-первых вместо единой силы, которая связывает частицы темной материи, модель включает бесконечный спектр новых сил, работающих вместе. Во-вторых, модель требует дополнительного измерения Вселенной, а значит, четырехмерного пространства.

Четвертое измерение

Бесконечный спектр сил, каждая з которых представляет собой новую частицу с разной массой, обеспечивает большую гибкость при построении теории взаимодействия частиц темной материи. В обычной физике нет аналогичных теорий, но астрофизики давно знают, что темная материя не всегда играет по правилам.

В привычных теориях, когда две частицы взаимодействуют друг с другом, они обмениваются одним видом частиц, несущих силу. Например, два электрона отталкиваются друг от друга, обмениваясь фотонами, носителями электромагнитной силы. В новой же модели, единичное взаимодействие заменяется целым спектром взаимодействий, которые работают вместе.

мультивселенная, темная материя, четвертое измерение
Фото: BBC

Что касается добавления дополнительного измерения, команда Танедо позаимствовала уловку, используемую в других теориях физики высоких энергий. Некоторые физические проблемы, которые чрезвычайно трудно решить в нашем нормальном трехмерном пространства, становятся намного проще, когда они расширяются до четырехмерного пространства.

Используя этот математический трюк, Танедо и его команда смогли понять, как силы темной материи будут взаимодействовать друг с другом. Затем они перенесли свои результаты в три измерения пространства и сделали прогнозы, которые показали, как эти силы будут работать в реальной Вселенной. Ученые обнаружили, что силы темной материи не соответствуют силам природы, которые описывает известная физика. Все заработало, когда ученые добавили четвертое измерение.

Новая симуляция полностью соответствовала наблюдениями за небольшими галактиками, в которых скопление темной материи было похоже не на предсказыаемое "острие", а на "ядро".