Може ли тъмната енергия „да се храни“ с тъмна материя? Как този процес променя формата на галактичните ореоли

Космологията е в криза. Това не е преувеличение за примамливо заглавие, а констатация на факт, с който физиците живеят през последните няколко години. Разполагаме със Стандартния модел (ΛCDM), който от десетилетия описва перфектно Вселената. Но днес точните измервания показват несъответствия, които не могат да бъдат пренебрегнати.

Основният проблем е „напрежението на Хъбъл“. Измерванията на скоростта на разширяване на Вселената по ранните данни (реликтовото излъчване) и по късните данни (свръхновите звезди) дават различни резултати. Числата не съвпадат. Или инструментите ни лъжат, или ние фундаментално не разбираме как работят гравитацията и енергията в космологични мащаби.

Нашата галактика Млечен път и нейните по-малки сателитни галактики са заобиколени от гигантски ореол от газ с температура милион градуса (показан в синьо на художествената илюстрация по-долу), който е видим само за космическите рентгенови телескопи. Астрономи от Мичиганския университет установиха, че този огромен горещ ореол се върти в същата посока като диска на Млечния път и със сравнима скорост.

Ново изследване на екип от астрофизици от ETH Цюрих и Китайската академия на науките предлага решение. Какво би станало, ако двата основни компонента на Вселената – тъмната материя и тъмната енергия – не са изолирани един от друг? Ами ако те си разменят маса?

Какво представлява моделът на взаимодействащата си тъмна енергия?

В класическия модел ΛCDM тъмната енергия е космологична константа. Тя е неизменна. Тъмната материя е гравитираща маса, която просто съществува и струпва галактиките една върху друга. Те съществуват паралелно, като си влияят взаимно само чрез разширяването на пространството.

Моделите на взаимодействащата тъмна енергия (IDE) предполагат, че между тези компоненти има пряк обмен на енергия-моментум. Изследователите моделират два сценария:

• IDE I: Тъмната материя се разпада и се превръща в тъмна енергия. Масата на частиците тъмна материя намалява с течение на времето.
• IDE II: Тъмната енергия се превръща в тъмна материя. Масата на частиците се увеличава и гравитацията нараства.

Тя влияе на всичко – от скоростта на разширяване на Вселената до начина, по който се формират структурите на галактиките.

Как гравитацията променя формата на невидимото?

Учените не могат да наблюдават пряко този обмен. Но могат да видят неговите ефекти чрез компютърна симулация на N-образните тела. Те използват кода ME-GADGET, за да създадат виртуална вселена и да видят как се държат ореолите от тъмна материя – гигантските струпвания на невидима материя, в които се намират видимите галактики.

Фокусът на изследването е върху ориентацията и въртенето на тези ореоли спрямо приливното поле.

Приливното поле е градиент на гравитационната сила. То се поражда от неравномерното разпределение на масата във Вселената. Именно това поле разтяга ореолите и ги кара да се въртят. Симулацията показа очевидната зависимост на поведението на ореолите от избрания модел на взаимодействие.

В модела IDE I (където материята изчезва): Ореолите губят маса. Гравитационната им връзка отслабва. Те стават по-малко плътни и по-„хлабави“. Поради това приливните сили на заобикалящата ги Вселена ги деформират по-лесно. Резултатът: формата на ореола е по-силно разтеглена по линиите на приливното поле. Въпреки това въртенето им (спинът) се стреми да бъде перпендикулярно на това поле.

В модела IDE II (където пристига материята): Тук протича обратният процес. Ореолите набират маса, стават по-компактни и плътни. Те се противопоставят по-добре на външните влияния. Формата им зависи в по-малка степен от заобикалящата ги среда и спинът им се държи по по-различен начин, отколкото в сценария на разпад.

За какво ни е да знаем къде се върти ореолът?

Тук възниква въпросът: защо трябва да ни интересува как се върти едно петно невидима материя в компютърна симулация?

Става дума за слаба гравитационна леща.

Астрономите изучават структурата на Вселената, като наблюдават как гравитацията на масивните обекти огъва светлината от отдалечени галактики. Това е ключов инструмент за бъдещи телескопи, като например китайския космически телескоп CSST, който е в процес на изграждане. За да бъдат тези измервания точни, трябва да се елиминират систематичните грешки.

Една от основните грешки е „правилното подравняване“. Галактиките са физически ориентирани от гравитацията на околните структури. Ако не знаем точните закони на това подравняване, можем да объркаме физическото въртене на галактиката с ефекта от кривината на светлината. Това би объркало всички данни.

Какво променя това за бъдещите наблюдения?

Изследването показва: ако използваме формулите на класическия модел ΛCDM за обработка на данните от бъдещите телескопи, а Вселената всъщност работи според принципите на IDE, нашите карти ще бъдат погрешни.

Авторите на статията извеждат нови математически функции, които описват как се подреждат ореолите в моделите с обмен на енергия.

• Ако тъмната материя се разпадне, сигналът за подравняване на формата се усилва.
• Ако тъмната енергия се превърне в материя, сигналът отслабва.

Опитваме се да измерим свойствата на Вселената с точност до частица от процента. Без да разбираме как ореолите от тъмна материя се превръщат в различни физични сценарии, рискуваме да получим безсмислен набор от данни, вместо да решим проблема с разширяването на Вселената.

Сега разполагаме с математическия апарат, за да разграничим един модел от друг, когато пристигнат реални данни от орбитални телескопи.