Темная материя ведет себя не как частица, а скорее как волна

Но природа темной материи — давняя загадка. Однако новое исследование Альфреда Амрута из Университета Гонконга и его коллег, опубликованное в журнале Nature Astronomy, использует гравитационное искривление света, чтобы приблизить нас к пониманию.

Причина, по которой мы думаем, что темная материя существует, заключается в том, что мы можем видеть эффекты ее гравитации в поведении галактик. В частности, темная материя, кажется, составляет около 85% массы Вселенной, и большинство далеких галактик, которые мы можем видеть, буквально окружены ореолом загадочного вещества.

Но ее называют «темной материей», потому что она не испускает свет, не поглощает и не отражает его, что делает ее невероятно трудной для обнаружения. Так что же это такое? Ученые полагают, что это должна быть какая-то неизвестная фундаментальная частица, но все остальное — область догадок и домыслов. Все попытки обнаружить частицы темной материи в лабораторных экспериментах до сих пор не увенчались успехом, и физики десятилетиями спорят о ее природе.

Ученые предложили двух ведущих гипотетических кандидатов на роль темной материи: относительно тяжелые объекты, называемые слабо взаимодействующими массивными частицами (или вимпами), и чрезвычайно легкие частицы, называемые аксионами. Теоретически вимпы будут вести себя как дискретные частицы, тогда как аксионы будут вести себя гораздо больше как волны из-за квантовой интерференции.

Раньше этих кандидатов было трудно отличить друг от друга, но теперь свет, изгибающийся вокруг далеких галактик, дал неожиданный ключ к разгадке.

Когда свет, путешествуя по Вселенной, проходит через массивный объект, такой как галактика, его путь искривляется, потому что, согласно общей теории относительности Альберта Эйнштейна, гравитация массивного объекта искажает пространство и время вокруг себя. В результате иногда, когда мы смотрим на далекую галактику, то можем видеть искаженные изображения других галактик за ней. И если все выровняется идеально, свет от фоновой галактики будет размазан по кругу вокруг ближайшей галактики.

Это искажение света называется «гравитационным линзированием», а круги, которые оно может создавать, называются «кольцами Эйнштейна». Изучая, как искажаются кольца или другие линзовые изображения, астрономы могут узнать о свойствах гало темной материи, окружающего ближайшую галактику.

И это именно то, что Амрут и его команда сделали в своем новом исследовании. Они рассмотрели несколько систем, в которых несколько копий одного и того же фонового объекта были видны вокруг линзирующей галактики на переднем плане, уделив особое внимание одной из них под названием HS 0810+2554.

Используя подробное моделирование, они выяснили, как будут искажаться изображения, если темная материя будет состоять из вимпов, и как они будут искажаться, если темная материя будет состоять из аксионов. И если модель вимпов не очень походила на «настоящую», но модель аксиона точно воспроизводила все особенности системы. Результат предполагает, что аксионы являются более вероятным кандидатом на роль темной материи, а их способность объяснять аномалии линзирования и другие астрофизические наблюдения вызывают у ученых волнение.

Новое исследование основано на предыдущих работах, которые также указывали на аксионы как на более вероятную форму темной материи. Например, в одном исследовании изучалось влияние аксионной темной материи на космический микроволновый фон, а в другом изучалось поведение темной материи в карликовых галактиках.

Хотя данное открытие еще не положит конец научным дебатам о природе темной материи, оно открывает новые возможности для испытаний и экспериментов. Например, будущие наблюдения гравитационного линзирования могут быть использованы для исследования волнообразной природы аксионов и потенциального измерения их массы.

Лучшее понимание темной материи повлияет на то, что мы знаем о физике элементарных частиц и ранней Вселенной. Оно также может помочь нам лучше понять, как формируются и меняются галактики с течением времени.