Астрофизики использовали данные по динамике Млечного Пути для сравнения стандартной гипотезы о гало из холодной темной материи с альтернативной идеей, которая предполагает сверхтекучие свойства данной субстанции на масштабах галактик. Оказалось, вторая концепция намного хуже соответствует реальности, так как предсказывает высокие ускорения в перпендикулярном диску направлении. Попытки привести ускорения в соответствие с наблюдениями приводят к несоответствию в распределении материи, пишут авторы в препринте на сервере arXiv.org.
Существует ряд астрономических наблюдательных фактов, которые говорят о несоответствии известных законов физики и компонентов Вселенной с реальностью. Большинство ученых склоняется к объяснению этих фактов посредством влияния темной материи — не взаимодействующей со светом субстанции, гравитация от которой, тем не менее, влияет на обычное вещество.
В одном из простейших вариантов темная материя представляет собой бесстолкновительное и холодное вещество (скорости частиц намного ниже скорости света). Такая модель прекрасно объясняет несоответствия на крупных масштабах — например, эволюцию скоплений галактик. Однако на масштабе порядка галактики у нее есть проблемы. В частности, она предсказывает намного больше карликовых галактик-спутников, чем наблюдается в локальной Вселенной. Также ядра галактик с доминирующим вкладом темной материи в реальности менее плотные и меньше отличаются от остальных частей систем, чем следует из численного моделирования.
Одной из наиболее труднообъяснимых особенностей является MDAR (Mass Discrepancy-Acceleration Relation — соотношение между расхождением масс и ускорением). Оно связывает отношение общей массы галактики к массе обычной материи в ней с ускорением звезд и газа на различных расстояниях от центра системы. Это отношение удивительно хорошо выполняется для множества галактик разных типов, в том числе с доминирующим вкладом темной материи. Выполнение MDAR можно интерпретировать как главенствующую роль обычной материи в определении ускорений в любых галактиках, даже с подавляющей частью массы в виде темной материи.
Для примирения идеи холодной темной материи с MDAR было предложено несколько более сложных моделей, которые по-разному проявляют себя в зависимости от масштаба. В рамках одной из таких теорий темная материя представлена относительно легкими частицами (масса более электронвольта), которые формируют квантовый конденсат сравнимого с галактикой размера.
В таком случае внутри такого сверхтекучего ядра основным определяющим динамику явлением оказываются звуковые волны, которые сильно связаны с обычным веществом. В результате возникает дополнительное дальнедействующее взаимодействие, которое и порождает MDAR. В этом смысле сверхтекучая темная материя похожа на совершенно другую попытку решения проблемы темной материи — модифицированную ньютоновскую динамику (МОНД). Фактически, эффект дополнительной силы от сверхтекучей невидимой материи имитирует отклонение от классических законов механики в варианте МОНД.
Астрофизики под руководством Марианджелы Лизенти (Mariangela Lisanti) из Принстонского университета проверили совместимость гипотезы сверхтекучей темной материи с хорошо известной динамикой объектов Млечного Пути. Оказалось, что модель сверхтекучего компонента плохо совместима с наблюдениями, так как такое вещество порождает дополнительную силу во всех направлениях, а в динамике Млечного Пути противоречия присутствуют лишь в плоскости вращения, а в перпендикулярном направлении его параметры хорошо описываются известным распределением обычной материи.
Авторы использовали байесовский подход для сравнения статистической предпочтительности различных моделей. Они построили функцию правдоподобия, которая позволяла оценить степень соответствия предсказываемого в рамках данной теории поля ускорений с наблюдениями. В качестве параметров физики использовали характерный диаметр и толщину звездного диска Галактики, а также поверхностные плотности звезд и газа.
Выяснилось, что обе модели (сверхтекучая темная материя и стандартная холодная) в целом воспроизводят кривую вращения Млечного Пути до расстояния порядка 18 килопарсек от центра. Однако сверхтекучая модель систематически переоценивает скорости ближе к краю, так как там начинает заметно сказываться как вклад сверхтекучего ядра, так и «классического» гало. Однако дисперсия скоростей звезд в вертикальном направлении на расстоянии Солнца от центра Галактики (около 8 килопарсек) в первой модели оказывается значительно преувеличена.
В результате холодная темная материя предпочтительна с очень убедительной значимостью (логарифм коэффициента Байеса около 32). Авторы отмечают, что полученный вывод должен быть справедлив для любой модели темной материи, которая пытается объяснить MDAR переходом к подобному МОНД новому взаимодействию на малых масштабах. В связи с этим они считают полученные результаты по динамике Млечного Пути подходящим тестом любой модели темной материи.
Недавно физики остроумно использовали факт отсутствия смертей от частиц темной материи для установления новых ограничений. О важности темной материи астрофизик Андрей Дорошкевич рассказывал нам в интервью «Невидимый цемент Вселенной». Также мы делали специальный тест по основным моделям этого компонента Вселенной — «Какая ты темная материя?».
Тимур Кешелава