Leo II рассказал, из чего на самом деле состоит тьма

Тёмная материя по-прежнему остаётся одной из самых загадочных субстанций во Вселенной. Несмотря на то что, по оценкам, она составляет около 85% всей массы материи, мы до сих пор не видим её напрямую — лишь по гравитационному влиянию на звёзды и галактики. А это значит, что ключевой вопрос — из чего она состоит и какова её масса — по-прежнему остаётся без ответа.

Исследователи уже научились определять минимально возможную массу тёмной материи, если она состоит из фермионов (вроде электронов или нейтронов), используя принцип запрета Паули. Однако если тёмная материя состоит из бозонов — вроде фотонов, глюонов или бозона Хиггса — этот принцип не действует. Здесь нужны другие подходы.

Новое исследование, опубликованное в Physical Review Letters, впервые позволяет оценить нижнюю границу массы тёмной материи, если она относится к категории ультралёгких бозонов. Команда учёных из Университета Осло, во главе с аспирантом Тимом Циммерманом, установила, что такие частицы не могут быть легче чем 2 × 10⁻²¹ электрон-вольта. Это в сто раз больше прежних оценок, основанных лишь на принципе неопределённости Гейзенберга.

Чтобы прийти к такому выводу, учёные изучили карликовую галактику Leo II — миниатюрного спутника Млечного Пути, который в тысячу раз меньше нашей галактики. В отличие от далёких объектов, Leo II не требует сложного моделирования расширяющейся Вселенной — её можно рассматривать как «снимок» вблизи, упрощая анализ.

Изучив движение звёзд внутри галактики, исследователи смогли построить вероятные распределения тёмной материи — всего было сгенерировано 5000 возможных профилей плотности. Для этого использовался инструмент GRAVSPHERE, основанный на уравнении Жана, а затем результаты были сопоставлены с волновыми функциями квантовой тёмной материи разной массы, рассчитанными при помощи разработанного учёными инструмента JAXSP.

Оказалось, что если частицы тёмной материи слишком лёгкие — легче 2,2 × 10⁻²¹ эВ, — то они ведут себя как волны, а не как локализованные объекты. Из-за этого они не могут сжаться в плотные области, как того требует наблюдаемая структура Leo II. Таким образом, определённая масса становится минимальной, при которой можно объяснить поведение галактики.

Этот результат ставит под серьёзное сомнение популярную теорию так называемой «пушистой тёмной материи» (fuzzy dark matter), согласно которой масса частиц составляет около 10⁻²² эВ. По словам Циммермана, прежние исследования уже ставили под вопрос такие модели, но теперь это стало очевидным и без учёта сложных факторов вроде эволюции звёзд, поглощения света газом и других космологических параметров.

Далее команда планирует расширить своё исследование на модели «смешанной тёмной материи», в которых предполагается, что тьма во Вселенной может состоять не из одного типа частиц, а из набора разных масс. Учёные надеются, что смогут дать и для этих моделей строгие ограничения, используя лишь данные из ближнего космоса.