Краткие сообщения. Темная материя и как она взаимодействует сама с собой.

Еще в 1930-е годы астроном Ф.Цвикки указал, что светящегося вещества в скоплениях галактик в десятки раз меньше, чем нужно, чтобы сила его тяготения удерживала галактики вместе. Для объяснения парадокса предположили, что существует невидимое гравитирующее вещество, которое называют теперь темной материей (“Dark Matter”, DM). Хотя темной материи должно быть намного больше, чем обычного вещества, его природа до сих пор остается невыясненной.

Наиболее подходящими кандидатами для объяснения всей совокупности данных считались гипотетические очень слабо взаимодействующие частицы (например сверхлегкие аксионы, или, наоборот массивные WIMPs — Weakly Interacting Massive Particles, такие как нейтралино). Подобные частицы неплохо вписываются в теорию, но обнаружить их пока не удалось. По разным причинам они являются нерелятивистскими в настоящую эпоху (т.е. являются кандидатами в “Cold Dark Matter”, CDM), что нужно для объяснения образования галактик и их скоплений. Однако теория, использующая такие частицы, столкнулась с рядом трудностей.

Во-первых, кривые вращения галактик, которые тоже определяются темной материей, показывают, что CDM должна иметь постоянную плотность в центральных областях галактик, а расчеты в моделях CDM для слабо взаимодействующих частиц дают структуру с острым пиком плотности в центре галактик. Во-вторых, расчеты дают слишком большое число облаков CDM в массивных гало галактик — раз в 10–50 больше допустимого.

В работе Spergel D.N., Steinhardt P.J., Phys.Rev.Lett. 84 (2000) 3760-3763 astro-ph/9909386 было указано, что обе эти проблемы решаются, если считать, что частицы темной материи достаточно сильно и упруго взаимодействуют между собой — центральные пики сглаживаются, а облака рассеиваются.

В ноябрьской (2000 г.) статье группы авторов из Падуи, Италия, Гархинга, ФРГ, и Кэмбриджа, США (astro-ph/0011405) получены интересные ограничения на силу самодействия CDМ. Указано, что при слишком большом сечении взаимодействия частиц структуры темной материи в скоплениях галактик сглаживаются столь сильно, что нельзя объяснить такие наблюдаемые явления как дуги в изображениях очень далеких квазаров и галактик, создаваемых невидимым веществом скоплений благодаря эффекту гравитационной линзы, когда свет удаленных объектов проходит сквозь скопление. Сравнение с наблюдениями говорит, что сечение взаимодействия частиц CDM на единицу массы не должно превосходить 0.1 см²г^-1.

Это сечение не может быть и сильно меньше. Иначе не удается достичь желаемого эффекта сглаживания. Интересно, что ограничение на самодействие сверху получается и из других соображенией. A.Burkert (astro-ph/0012178) привел обзор результатов, показавших, что при слишком большом сечении однородное изотермическое ядро CDM быстро сколлапсирует.

В работе (astro-ph/0011405) отмечен и ряд неясностей, которые еще следует преодолеть. Например, наблюдаемые эффекты гравлинзы удается воспроизвести и в гидродинамическом пределе, когда пробеги частиц CDM совсем малы (т.е. сечение очень велико). Количественные сравнения затрудняются также тем, что одна ярка массивная галактика в центре скопления может быть очень сильной гравлинзой.

Я мог бы добавить и другие трудности — например, грубость моделирования. Ведь в расчетах используется огромная масса каждой частицы CDM — около 10¹⁰ масс Солнца и большая длина сглаживания — 30 кпк. Кроме того, темная материя может состоять из разнородных частиц. Тем не менее, мне представляется, что эти результаты очень важны: исследователи начинают “видеть” невидимое вещество. Удивительно, что сечения порядка 0.1 см²г^-1 могут соответствовать вполне земным стальным шарикам размером порядка 1 см, упруго сталкивающимся друг с другом, или нуклонам — нейтронам! — с массой порядка 10^-24 г и с сечением порядка обычных ядерных сечений. Но конечно надо помнить, что темная материя не может состоять из обычных “видимых” барионов — это привело бы к противоречию обилия первичного гелия и других легких элементов с наблюдаемым.

перейти к началу страницы