Її найбільше у Всесвіті: фізики з'ясували, яку масу має темна матерія

Дослідження опубліковано в журналі Physical Review Letters, пише Phys.

Темна матерія — що це?

Наразі фізики вважають, що 85% маси всієї матерії у Всесвіті займає темна матерія, яку неможливо побачити напряму. Вважається, що саме темна матерія допомагає формувати галактики і своєю гравітацією утримує їх у вигляді єдиних структур. Саме завдяки гравітаційному впливу темної матерії на видиму матерію фізики зробили висновок про її існування. Але визначити природу і масу частинок темної матерії поки що не вдалося.

У Фокус. Технології з'явився свій Telegram-канал. Підписуйтесь, щоб не пропускати найсвіжіші та найзахопливіші новини зі світу науки!

З чого складається темна матерія?

Фізики знають, з чого складається темна матерія, і роблять лише припущення з цього приводу. Згідно з квантовою механікою всі фундаментальні частинки мають бути або ферміонами, або бозонами.

• До ферміонів належать кварки, з яких складаються протони і нейтрони в ядрі атома, самі протони і нейтрони, а також електрони. До бозонів належать фотони, тобто частинки світла, бозон Хіггса та інші види бозонів.

Раніше вчені припустили, що частинки темної матерії можуть бути ферміонами і встановили нижню межу їхньої маси з використанням принципу виключення Паулі. Згідно з цим принципом, два ферміони не можуть мати один і той самий квантовий стан одночасно. Але це можуть робити бозони.

Нижня межа маси темної матерії

Тому автори дослідження припустили, що частинки темної матерії є бозонами і встановили нижню межу їхньої маси. Розрахунки фізиків показали, що в такому разі частинки темної матерії не можуть мати масу нижчу, ніж 2 × 10 у мінус 21 ступені електронвольт (еВ), що в 100 разів більше за попередні оцінки.

• При цьому найважча відома фундаментальна частинка, істинний кварк, має масу 173 мільярди електронвольт. 1 електронвольт еквівалентний масі приблизно 1.7×10 у мінус 36 ступені кілограм.

Для визначення нижньої межі маси темної матерії астрофізики використали спостереження за галактикою-супутником Чумацького Шляху під назвою Leo II. Вона приблизно в 1000 разів менша за нашу галактику, тобто її розмір оцінюється в приблизно 100 світлових років.

Як визначили масу темної матерії?

Вивчаючи рух зірок усередині галактики Leo II, вчені змогли зрозуміти, як розподілена темна матерія у неї всередині. Рух зірок керується гравітаційним впливом загальної маси галактики, включно з темною матерією.

Фізики створили кілька тисяч можливих профілів щільності темної матерії, які узгоджуються зі спостережуваним рухом зірок. Потім вони порівняли ці профілі, засновані на спостереженнях, з профілями густини, створеними квантовими хвильовими функціями, що представляють темну матерію різних можливих мас.

Науковці виявили, що коли частинка темної матерії надто легка, тобто має масу нижчу, ніж 2×10 у мінус 21 ступені еВ, квантові хвильові функції не можуть відтворити спостережуваний розподіл густини темної матерії через фундаментальні обмеження принципу невизначеності. Цей принцип обмежує, наскільки точно положення та імпульс частинки можуть бути відомі одночасно.

У тому разі, якщо темна матерія занадто легка, це створює квантову нечіткість, де частинки поводяться скоріше, як хвилі, ніж як частинки. Ця квантова нечіткість не дозволяє темній матерії концентруватися в невеликих ділянках. За допомогою розрахунків фізики визначити точку, в якій маса частинки стає занадто маленькою для врахування спостережуваної структури галактики. Порівняно з попередніми дослідженнями фізики збільшили нижню межу маси темної матерії.

Як уже писав Фокус, вчені виявили в нашій галактиці нову форму темної матерії.

Також Фокус писав про те, що астрономи вперше побачили це явище на найбільшому супутнику Сатурна. Астрономи вперше виявили процес утворення хмар у північній півкулі Титана. При цьому їм вдалося виявити ключову відсутню частину хімії Титана.

Ще Фокус писав про те, що нове відкриття вчених ставить під сумнів теорію Великого вибуху, а значить історію космосу доведеться переглянути.