С момента начала работы в 2022 году космический телескоп «Джеймс Уэбб» (JWST) позволил ученым совершить невероятный прорыв в понимании космоса, особенно его ранней эпохи. Однако одна из загадок, на которую JWST до сих пор не смог существенно повлиять, – это природа темной материи. Новое исследование предполагает, что в скором времени ситуация может измениться.
Хотя, по оценкам, темная материя составляет 85% вещества во Вселенной, ее сложно исследовать, поскольку она не взаимодействует с электромагнитным излучением (светом) или взаимодействует настолько слабо, что мы не можем обнаружить ее напрямую. Помимо того, что это делает темную материю практически невидимой, отсутствие взаимодействия со светом говорит ученым, что частицы, из которых она состоит, – это не протоны, нейтроны и электроны, составляющие привычную нам материю – от массивных звезд до вирусов, отравляющих нам жизнь каждую зиму. Поиски потенциальной частицы темной материи выдвинули множество «подозреваемых», но все они до сих пор остаются разочаровывающе гипотетическими.
Таким образом, единственный способ, с помощью которого ученые могут обнаружить присутствие темной материи, – это наблюдать за ее гравитационным влиянием на ткань пространства и тем, как это затем воздействует на обычную материю и свет. Новое исследование, опубликованное в журнале Nature Astronomy, предполагает, что гравитационное влияние темной материи может быть причиной странных молодых галактик с неожиданно вытянутыми формами. И изучение этих форм может выявить, какая из гипотетических частиц лучше всего подходит на роль «ингредиента» темной материи.
Изучение этих вытянутых галактик с помощью JWST может помочь обнаружить присутствие темной материи, говорят ученые. «В расширяющейся Вселенной, описываемой общей теорией относительности Эйнштейна, галактики со временем растут из небольших сгустков темной материи, которые формируют первые звездные скопления и собираются в более крупные галактики под действием их коллективной гравитации», – заявил в своем комментарии член исследовательской группы Рогир Виндхорст из Университета штата Аризона.
«Но теперь JWST предполагает, что самые ранние галактики могли быть погружены в выраженные нитевидные структуры, которые – в отличие от холодной темной материи – плавно соединяют области звездообразования, что больше похоже на ожидаемое поведение, если темная материя является сверхлегкой частицей, также проявляющей квантовые свойства».
Понимание темной материи – задача не из легких
При использовании симуляций для воссоздания формирования первых галактик в ранней Вселенной, модель, позволяющая холодному газу собираться вдоль нитей в паутине темной материи, довольно хорошо воспроизводит в основном сфероидальные галактики, которые мы видим в современной Вселенной.
Однако, поскольку JWST позволил астрономам заглянуть в прошлое и увидеть галактики, существовавшие на самых ранних этапах Вселенной, они все чаще обнаруживают вытянутые нитевидные галактики, которые не так легко воспроизвести в симуляциях, придерживающихся стандартного механизма сбора газа для рождения звезд и роста галактик.
Чтобы исследовать это, Виндхорст и его коллеги изучили симуляции Вселенной, включающие различные типы темной материи, отличные от той, что присутствует в наиболее принятой космологической модели – модели Lambda-CDM (ΛCDM), где «холодная» темная материя характеризуется не температурой, а низкой скоростью движения частиц.
Это исследование показало, что волнообразное поведение «нечеткой темной материи» или сверхлегких аксионных частиц может объяснить вытянутую морфологию ранних галактик, наблюдаемую JWST.
«Если сверхлегкие аксионные частицы составляют темную материю, их квантовое волнообразное поведение будет временно препятствовать формированию структур меньших, чем несколько световых лет, способствуя той самой плавной нитевидной структуре, которую JWST теперь наблюдает на очень больших расстояниях», – сказал руководитель группы Альваро Посо из Международного физического центра в Донкостии.
Моделирование команды также показало, что более быстродвижущиеся частицы «теплой темной материи», такие как стерильные нейтрино, также могут порождать ранние нитевидные галактики. Как в сценарии с волновой, так и с теплой темной материей, это происходит потому, что эти частицы создают более гладкие нити, чем холодная темная материя. По мере того как газ и звезды медленно стекают по этим нитям, начинают формироваться вытянутые галактики.
JWST продолжит исследование галактик странной формы в ранней Вселенной, в то время как исследователи на Земле будут совершенствовать симуляции ранней Вселенной. Совместное использование этих данных в конечном итоге может помочь раскрыть тайну темной материи.
Исследование команды было опубликовано 8 декабря в журнале Nature Astronomy.
Поделитесь в вашей соцсети👇
Ваш комментарий