Тёмная материя может оказаться волной: учёные нашли новый способ это проверить

Около 85% материи во Вселенной приходится на нечто, чего никто непосредственно не видел. Тёмная материя не светится, не отражает и не поглощает свет, однако её гравитация влияет на движение звёзд и галактик. Теперь астрофизики проверили одну из самых необычных идей о её природе: что тёмная материя состоит из настолько лёгких частиц, что в масштабах галактики начинает вести себя почти как волна.

На первый взгляд частица и волна кажутся противоположностями. Но квантовая механика давно разрушила эту интуицию. Чем меньше масса предполагаемой частицы тёмной материи, тем больше связанная с ней квантовая длина волны. Для чрезвычайно лёгких частиц волновые эффекты потенциально способны проявляться уже на астрофизических расстояниях.

Так возникла модель fuzzy dark matter — «размытой» или волновой тёмной материи. Вместо совершенно гладкого распределения невидимой массы она должна создавать области повышенной и пониженной плотности, напоминающие интерференционную картину на поверхности воды, когда встречаются несколько волн.

Увидеть эти волны непосредственно невозможно: тёмная материя не взаимодействует со светом обычным способом. Но у неё есть гравитация. А согласно общей теории относительности масса искривляет пространство-время и тем самым изменяет траекторию проходящего рядом света.

Это явление называется гравитационным линзированием. Если массивная галактика находится между Землёй и чрезвычайно далёким квазаром, её гравитация работает как гигантская космическая линза. Свет квазара идёт к нам несколькими искривлёнными путями, поэтому телескоп может увидеть несколько изображений одного объекта, дуги или кольца.

Расположение этих изображений зависит от распределения массы внутри линзирующей галактики — в том числе той массы, которую невозможно увидеть. Поэтому гравитационная линза фактически превращается в инструмент картирования тёмной материи.

До сих пор модели волновой тёмной материи в подобных задачах обычно описывали её неоднородности с помощью приближений. Международная группа астрофизиков из Гонконга и Пекина пошла другим путём: исследователи использовали полноценное трёхмерное моделирование волновой динамики и непосредственно из получившегося распределения массы рассчитали эффект линзирования.

Это принципиальная разница. Вместо того чтобы заранее предположить, как должны выглядеть небольшие флуктуации тёмной материи, компьютер позволил им возникнуть естественным образом из поведения самой модели.

Представить процесс можно с помощью морских волн. Если бросить несколько камней в спокойную воду, расходящиеся круги начинают встречаться. Где-то гребни усиливают друг друга, где-то волны гасятся. Возникает постоянно меняющаяся сложная поверхность. В модели сверхлёгкой тёмной материи похожая интерференция создаёт неоднородности плотности вокруг галактики.

Хотя сами частицы гипотетические, гравитация этих неоднородностей вполне конкретна. Свет далёкого квазара, проходя через такое пространство, должен отклоняться немного иначе, чем в модели с более гладким распределением тёмной материи.

Исследователи проверили эту идею на хорошо изученной системе с гравитационно линзированным квазаром. Затем сравнили предсказанные положения изображений с реальными астрономическими наблюдениями.

Результат оказался интригующим: модель, основанная непосредственно на трёхмерной волновой симуляции, воспроизвела наблюдаемые положения изображений точнее сравнительных моделей, использованных авторами исследования. Это ещё не означает, что существование размытой тёмной материи доказано. Но показывает, что её характерная структура способна оставлять наблюдаемые следы в гравитационных линзах.

Именно здесь появляется потенциально мощный способ проверки. Если волновая модель верна, она должна не просто хорошо описать одну систему задним числом. Аналогичные закономерности должны систематически обнаруживаться в других гравитационных линзах.

Особенно ценными могут стать системы, где далёкий квазар создаёт несколько изображений. Каждое из них проходит по несколько отличающемуся пути через гравитационное поле галактики. Маленькие неоднородности тёмной материи способны немного сдвигать положение изображения или изменять его яркость.

Следующим направлением работы как раз станет изучение яркости. Если волновые структуры тёмной материи одновременно объясняют и координаты, и аномалии потоков нескольких изображений, проверка гипотезы станет значительно строже.

Зачем вообще понадобилась альтернативная модель? Стандартная космология чрезвычайно успешно описывает крупномасштабную структуру Вселенной с помощью холодной тёмной материи. Но на небольших галактических масштабах остаются вопросы о внутреннем распределении массы и количестве мелких структур. Сверхлёгкая тёмная материя рассматривается как один из возможных вариантов их объяснения.

Однако конкурирующих идей много. Тёмная материя может состоять из других пока неизвестных частиц, а некоторые расхождения между моделями и наблюдениями способны объясняться сложной физикой обычного вещества — звездообразованием, газом и взрывами сверхновых.

Поэтому ценность новой работы заключается не в очередном заявлении «тайна тёмной материи раскрыта». Наоборот, исследователи предлагают способ превратить необычную гипотезу в набор наблюдаемых предсказаний. А именно так физика отделяет красивую идею от описания реальности.

Будущие телескопы и радиоинтерферометры будут получать всё более точные изображения гравитационных линз. Если мельчайшие отклонения света действительно несут отпечаток волновой структуры невидимой материи, астрономы смогут изучать её, не обнаружив ни одной частицы непосредственно.

Получается почти парадоксальная ситуация: вещество, которое нельзя увидеть, может выдать себя тем, как заставляет дрожать изображение объекта, находящегося за миллиардами световых лет от него. Возможно, именно свет далёких квазаров однажды покажет, является ли невидимый каркас Вселенной облаком частиц — или огромным квантовым волновым полем.