«Толстяк» в два квадриллиона масс Солнца нанес удар по теории темной материи

В последние десятилетия стандартной космологической моделью была Лямбда-CDM (ΛCDM), где CDM означает холодную темную материю. В рамках нее эффекты, которые оказывает темная материя на галактики и все остальное, объясняются тем, что она состоит из неких невидимых и пока необнаруживаемых частиц, взаимодействующих с обычной материей только через гравитацию.

У этой модели достаточно давно — несколько лет как — есть серьезные проблемы: она плохо стыкуется с последними наблюдениями за Вселенной. Одной из таких проблем стало столкновение в скоплении галактик Пуля, свет от которого шел до Земли 3,7 миллиарда лет.

Дело в том, что темная материя, состоящая из неизвестных частиц, все-таки не может состоять из частиц, которые совсем не взаимодействуют между собой. А при наличии такого взаимодействия столкновение галактик — каждая из которых погружена в массивное гало из темной материи — должно эффективно замедляться трением. Вероятность того, что скопления галактик могут сталкиваться с параметрами Пули, относительно невелика. Поэтому еще в 2015 году ряд исследователей отметили, что открытие других скоплений со сходной высокой скоростью столкновения создаст серьезный вызов для теории холодной темной материи, состоящей из вимпов.

Так в фокус внимания астрофизиков попала ситуация вокруг Эль-Гордо («Толстяк») — крупного скопления галактик, свет от которого шел до Земли семь миллиардов лет. Международная группа ученых опубликовала в The Astrophysical Journal работу с подробным разбором ситуации с «Толстяком».

Авторы напомнили, что более ранние попытки оценить совместимость «Толстяка» с моделью Лямбда-CDM опирались на недостаточно точные данные то по массе скопления, состоящего из двух сливающихся субскоплений, то по скорости, с которой сливаются эти субскопления. Это исследование базируется на обновленных данных: в частности, массу «Толстяка» за счет слабого искажения им света более далеких галактик уточнили до 2,1 квадриллиона масс Солнца.

Чтобы понять, может ли скопление такой массы и наблюдаемой скорости слияния быть совместимым с ΛCDM, физики построили ряд моделей, опирающихся на Лямбда-СDM и пытающихся сгенерировать скопление галактик с параметрами Эль-Гордо. Оказалось, это чрезвычайно сложно.

Скорость столкновения частей Эль-Гордо между собой — более 2500 километров в секунду. В то же время уже при скорости соударения в 2300 километров в секунду статистическая значимость расхождения между параметрами «Толстяка» и моделью ΛCDM превышает пять сигм.

Иными словами, уже для 2300 километров в секунду вероятность существования Эль-Гордо во Вселенной, где работает ΛCDM, — не выше 0,0001%. Это очень низкая величина: в физике считается, что уровень в пять сигм означает доказанность того или иного тезиса статистически. Для скоростей наблюдаемого уровня (повторимся, они выше 2500 километров в секунду) статзначимость вывода работы еще выше. То есть реальный Эль-Гордо несовместим с ΛCDM на уровне даже выше пяти сигм.

Проблемой тут можно назвать не только высокую скорость столкновения. Сам факт наличия во Вселенной семь миллиардов лет назад настолько массивного скопления галактик тоже крайне слабо совместим с современными представлениями о природе темной материи. Согласно им, сперва возникают галактики, затем — их скопления, а только потом, через много миллиардов лет, — их особо массивные скопления вроде «Толстяка». Он просто не должен был успеть сформироваться столь рано.

Ранее Naked Science описывал ряд других проблем теории вимпов, которыми долго объясняли темную материю. Там же мы затрагивали наиболее вероятное альтернативное объяснение ситуации с темной материей — гипотезу Николая Горькавого, согласно которой она состоит из компактных шаровых скоплений черных дыр средних масс, следы которых массово обнаруживает обсерватория LIGO. В 2023 году упомянутый физик выпустил книгу «Осциллирующая Вселенная», подробно разбирающую то, как новое понимание природы темной материи влияет на наши космологические представления о Вселенной.