Ученые практически не сомневаются в существовании темной материи — невидимого нечто, гравитация которого определяет эволюцию галактик. Однако из чего она состоит, по-прежнему неизвестно, а продолжающиеся поиски не принесли результатов. Обратившись к более экзотическим гипотезам, исследователи предложили различать теплую, холодную и размытую темную материю по характерным признакам, включая формирование галактических нитей (филаментов) в ранней Вселенной. Именно размытую темную материю недавно заподозрили в том, что она способна образовывать сгустки, которые становятся ядрами галактик.
Эволюция плотности размытой темной материи при создании темных звезд. Изображение получено при помощи компьютерного моделирования / © arxiv.org
Так называемые темные звезды состоят из ультралегких частиц — бозонов, — причем внутри такой структуры присутствует и обычная, барионная, материя. Несмотря на указывающие на существование темной материи эффекты (ее гравитационное воздействие на космические объекты), ученые не знают, из чего именно она состоит.
Еще 10 лет назад наиболее вероятными кандидатами на роль темной материи считались предсказанные рядом теорий вимпы (WIMPs), которые среди прочего прекрасно вписываются в Стандартную космологическую модель (модель ΛCDM). Однако попытки поймать эти частицы с помощью специальных детекторов пока что не увенчались успехом, из-за чего физики обратились к другим моделям.
Согласно гипотезе холодной темной материи (cold dark matter, CDM), эта невидимая материя состоит из частиц, которые движутся медленнее скорости света и практически не взаимодействуют друг с другом и обычной материей. Хотя модель неплохо описывает крупномасштабное распределение вещества во Вселенной, при рассмотрении локальных структур, например плотных ядер галактик, дает противоречивые результаты, предсказывая слишком «жесткие» и плотные галактические ядра по сравнению с данными реальных наблюдений.
Чтобы согласовать теорию и наблюдения, астрофизики обратились к еще более экзотическим моделям, в частности к теплой холодной материи (warm dark matter, WDM) — ее частицы на порядок быстрее и легче вимпов — и размытой темной материи (fuzzy dark matter, FDM), масса частиц которой еще меньше.
Если темная материя действительно состоит из чрезвычайно легких бозонов, ее квантово-волновые свойства могут проявляться на масштабах целых галактик, а сами «кванты» — образовывать протяженные объекты с относительно невысокой средней плотностью. Подобные структуры называют темными или бозонными звездами (если речь идет о конкретных математических решениях).
Чтобы понять, могут ли размытая темная материя и обычный газ образовывать темные звезды (устойчивые структуры в ядрах галактик), ученые из Университета Мичоакана (Мексика) и Геттингенского университета (Германия) с помощью компьютерного моделирования рассмотрели упрощенную задачу, взяв смесь размытой темной материи (смоделированной уравнением Шредингера — Пуассона) и небольшой доли обычного газа (смоделированного без учета таких сложных процессов, как охлаждение и звездообразование). Затер исследователи проследили, как эти два компонента эволюционируют под действием гравитации.
Результаты научной работы, представленной на сервере препринтов Корнеллского университета, показали, что изначально «хаотические» облака темной материи и газа быстро вышли на конфигурацию, близкую к равновесию: размытая темная материя формировала центральное ядро, а газ концентрировался вблизи него. В итоге формировалась устойчивая фермионно-бозонная звезда или темная звезда (прототип возможного галактического ядра), окруженная облаком темной материи.
Предварительный анализ также показал, что такая модель, в принципе, не противоречит астрономическим наблюдениям. Это потенциально делает темные звезды ключевыми кандидатами на роль галактических ядер (в контексте размытой темной материи, в отличие от классической модели холодной темной материи).
Однако, чтобы сравнить теорию с данными конкретных наблюдений и окончательно объяснить формирование ядер, потребуются дальнейшие, более сложные симуляции (с учетом охлаждения, звездообразования, вращения и так далее).
Если будущие исследования подтвердят новые выводы ученых, гипотеза размытой темной материи приобретет дополнительный вес, а темные звезды будут рассматривать как ключевой сценарий для описания галактических ядер.
