Физики на пороге прорыва: темная материя и «частицы-призраки» тайно сталкиваются, меняя облик Вселенной

Две самые загадочные субстанции во Вселенной, возможно, невидимо сталкиваются друг с другом по всему космосу. И это открытие способно решить одну из самых больших проблем в стандартной модели космологии, которая десятилетиями не давала ученым покоя.

Эти два неуловимых компонента — темная материя и нейтрино (их еще называют «частицами-призраками») — буквально пронизывают все вокруг, но мы до сих пор очень мало о них знаем. В исследовании, опубликованном в журнале Nature Astronomy, международная группа ученых нашла доказательства того, что частицы темной материи и нейтрино могут сталкиваться, обмениваясь при этом импульсом.

Это удивительное взаимодействие может объяснить, почему в нашей Вселенной меньше плотных областей, таких как галактики и их скопления, чем должно быть согласно расчетам. Проще говоря, Вселенная оказалась менее «комковатой», чем думали космологи.

Видео от DGL.RU

Загадки темной материи и нейтрино

Темная материя — это таинственная, невидимая субстанция, которая составляет 85% всей материи во Вселенной. Как следует из названия, она не излучает свет, поэтому о ее существовании мы догадываемся лишь по гравитационным эффектам, которые наблюдают астрономы.

Нейтрино — это субатомные частицы с ничтожно малой массой и без электрического заряда, из-за чего они крайне редко взаимодействуют с другими частицами. Они рождаются в огромных количествах в ходе ядерных процессов, например, при термоядерном синтезе в звездах или взрывах сверхновых. Каждую секунду через каждый квадратный сантиметр вашего тела пролетает около 100 миллиардов нейтрино.

Согласно ведущей модели космологии, известной как «Лямбда-CDM», темная материя и нейтрино вообще не должны взаимодействовать. Эта стандартная модель была создана, чтобы теоретически объяснить крупномасштабную структуру космоса.

Космологическая головоломка

Новое исследование предоставляет убедительные доказательства того, что взаимодействие все-таки возможно, как и предполагали некоторые ученые последние двадцать лет.

Если темная материя и нейтрино действительно сталкиваются и обмениваются импульсом, это заставит нас пересмотреть модель Лямбда-CDM. Такие столкновения могут также объяснить так называемую «проблему S8» — несоответствие между ожидаемой и реальной «комковатостью» Вселенной.

«Эта проблема не означает, что стандартная космологическая модель неверна, но она может указывать на ее неполноту, — объясняет соавтор исследования Элеонора Ди Валентино из Университета Шеффилда. — Наша работа показывает, что взаимодействия между темной материей и нейтрино могут помочь объяснить эту разницу, предлагая новый взгляд на то, как формировалась структура Вселенной».

Несоответствие возникло из-за того, что современный космос оказался не таким плотным, как предсказывали расчеты, основанные на данных о реликтовом излучении — первом свете, который заполнил Вселенную спустя 380 000 лет после Большого взрыва.

Собирая улики по всей Вселенной

Чтобы прийти к своим выводам, ученые объединили данные из совершенно разных источников. С одной стороны — данные о ранней Вселенной, полученные с телескопа в чилийской пустыне Атакама и космического телескопа «Планк», изучавшего реликтовое излучение. С другой — данные о современной крупномасштабной структуре космоса, собранные в ходе Слоановского цифрового небесного обзора, который за двадцать лет создал 3D-карту миллионов галактик.

Также исследователи использовали данные о «космическом сдвиге» — искажении света от далеких объектов из-за гравитационного линзирования, когда массивные структуры на переднем плане изгибают пространство-время.

Объединив все это, команда смоделировала эволюцию Вселенной. И когда в симуляцию добавили возможность столкновений между темной материей и нейтрино, полученная модель Вселенной стала гораздо лучше соответствовать реальным наблюдениям.

Впрочем, ученые призывают к осторожности. Уверенность в существовании этого взаимодействия составляет 3 сигмы, что означает наличие 0,3% вероятности того, что результат является случайностью. В науке золотым стандартом считается 5 сигм, но полученный результат достаточно значим, чтобы его перепроверить. Если он подтвердится, это станет «фундаментальным прорывом в космологии и физике элементарных частиц».

Роль российской науки в разгадке этой тайны

Хотя данное исследование было проведено международной командой, российская наука также вносит огромный вклад в изучение темной материи и крупномасштабной структуры Вселенной. Ключевую роль здесь играет космическая обсерватория «Спектр-РГ», которая создает самую полную и детальную карту Вселенной в рентгеновском диапазоне.

Данные, получаемые с ее телескопов, позволяют с высокой точностью картировать распределение скоплений галактик — крупнейших структур, «склеенных» темной материей. Именно сравнение таких карт с теоретическими моделями и позволяет находить несоответствия, подобные «проблеме комковатости».

Окончательный вердикт вынесут будущие обзоры неба, такие как те, что будут проводиться в обсерватории имени Веры Рубин. Ученые надеются, что они позволят нам точно определить, являемся ли мы свидетелями нового открытия в «темном секторе» или наши космологические модели требуют дальнейшей корректировки. В любом случае каждый из этих сценариев приближает нас к разгадке тайны темной материи.

Тяжёлая тёмная материя может разрушить наши представления о Вселенной!