Темна матерія довгий час була однією з найзагадковіших речей у космосі. Вперше його запропонували в 1930-х роках як ідею для вирішення проблеми руху зірок у деяких галактиках. Перші тверді докази темної матерії зібрала Віра Рубін, яка вивчала обертальний рух галактик. Рух цих галактик не збігався, якщо вони не містили велику кількість невидимої маси. Має бути якась екзотична, невидима матерія, не схожа ні на що раніше.
Якщо темна матерія існує, то вона повинна мати дві основні властивості. По-перше, він не може сильно взаємодіяти зі світлом, інакше ми б його побачили, і він не був би «темним». По-друге, вона повинна взаємодіяти з іншою матерією гравітаційно, щоб змусити видиму матерію рухатися дивним чином. Ми знаємо про декілька речей, які задовольняють цим умовам, наприклад нейтрино або крихітні чорні діри, але це не може бути темна матерія. Ми знаємо це частково тому, що тепер можемо вимірювати його температуру.
Хоча деякі астрономи запропонували альтернативи темній матерії, наприклад певні моделі «модифікованої гравітації». Це не дуже узгоджується з спостереженнями. Темна матерія впливає не тільки на обертання галактик. Як і будь-яка маса, він гравітаційно відхиляє світло. Спостерігаючи за впливом гравітаційної лінзи галактик, ми можемо скласти карту розподілу їх темної матерії. Темна матерія також впливає на групування галактик. Іншими словами, темна матерія керує великомасштабною структурою Всесвіту. Зі спостережень за скупченнями галактик ми виявили, що темна матерія виглядає холодною.
Рух атомів у газі. Авторство: Greg L в англійській Вікіпедії
Для ідеального газу його температура залежить від того, як швидко підскакують атоми. Чим швидше вони рухаються, тим більше у них кінетичної енергії і тим вище температура газу. Температура газу також залежить від маси атомів. Кінетична енергія атома залежить від маси, тому атом малої маси повинен рухатися швидше, ніж атом великої маси, щоб мати таку ж кінетичну енергію. При тій самій температурі атоми «важчого» газу рухаються повільніше, ніж атоми «легшого» газу.
Темна матерія не може бути ідеальним газом, але ми знаємо, що вона не взаємодіє сама з собою, тому діє те саме загальне правило. Температура темної матерії залежить від руху та маси її частинок.
Карта поширення галактик. Авторство і права: М. Блантон і SDSS.
У космічному масштабі гравітація намагається згорнути темну матерію в згустки, а рух темної матерії намагається розповсюдитися завдяки своєму руху. Це означає, що темна матерія буде мати тенденцію групуватися в згустки. Масштаб, на якому відбувається це злипання, говорить нам про температуру темної матерії, а отже, і про масу її частинок.
Стандартна модель космології стверджує, що темна матерія холодна. Це означає, що частинки темної матерії мають високу масу. Їх часто називають слабко взаємодіючими масивними частинками або WIMPs. Модель холодної темної матерії добре працює в масштабі скупчень галактик, але не так добре працює в масштабі окремих галактик. Один із способів вимірювання температури темної матерії — визначити, в якому масштабі руйнується злипання.
Використовуючи техніку гравітаційного лінзування, команда змогла дослідити, як на світло віддаленого квазара впливали невеликі згустки темної матерії. Авторство: NASA/ESA/D. Гравець (STScI)
Нещодавно команда виміряла цю шкалу, дивлячись на сім лінзових квазарів. Ось де з нашої точки зору перед далеким квазаром є галактика. Світло від квазара відхиляється навколо галактики, як лінза. Вимірюючи ці лінзові квазари, команда могла звузити масштаб темної матерії. З цього вони визначили температуру темної матерії, а отже, і мінімальну масу для частинок темної матерії.
Зображення Хаббла, які показують чотири спотворені зображення фонового квазара та його галактики-господаря, що оточує центральне ядро масивної галактики переднього плану. Авторство: NASA/ESA/A. Ніренберг (JPL)/T. Треу (UCLA)
Вони виявили, що маса частинок темної матерії повинна бути не менше 5,58 кеВ. Це в 3000 разів масивніше нейтрино, але майже в 100 разів менше, ніж маса електрона. Цей останній момент цікавий, оскільки більшість моделей WIMP стверджують, що маса частинок у 100 разів важча за протон. Якщо частинки темної матерії є світлими, то вони напевно вже були б виявлені в експериментах з прискорювачем частинок.
Хоча це дослідження не заперечує проти холодної темної матерії, воно також допускає теплу темну матерію. Автори кажуть, що їм потрібно буде подивитися на ще чотири десятки лінзових квазарів, щоб визначити все. Тож можна сказати, що дебати про холодну темну матерію починають загострюватися.
Довідка:Hsueh, Jen-Wei, et al. “ ШАРП–VII. Нові обмеження на властивості вільного потоку теплої темної матерії та кількість субструктур від аномальних лінзових квазарів із співвідношенням потоків '.