Через восемь десятилетий после открытия тёмной материи учёные приблизились к раскрытию её тайны. Современное исследование, базирующееся на анализе карликовой галактики Leo II, позволило установить минимально возможную массу частиц, которые могут составлять эту невидимую субстанцию. Данные результаты не только сужают круг существующих гипотез, но и открывают новые горизонты для изучения Вселенной.
Тёмная материя не испускает света, однако её гравитационное влияние заметно в движении звёзд и галактик. Например, спиральные галактики вращаются с такой скоростью, что видимой массы недостаточно, чтобы удерживать звёзды на их орбитах. Это привело к внедрению концепции невидимого компонента — тёмной материи. Существует множество теорий о её составе: одни утверждают, что её частицы массивны, как атомы, другие — что они легче нейтрино. В зависимости от типа частиц: фермионы (такие как электроны) не могут находиться в одном квантовом состоянии, в то время как бозоны (к примеру, фотоны) способны «находиться» в одной и той же области пространства.
Проанализировав карликовую галактику Leo II, которая почти полностью состоит из тёмной материи, учёные определили пределы массы для обоих возможных сценариев. В случае с фермионами их масса должна превышать 120 электронвольт, чтобы избежать рассеивания по квантовым законам. Что касается бозонов, ситуация иная. Здесь вступает в силу принцип неопределённости: чем точнее известна позиция частицы, тем сложнее рассчитать её скорость. Исследование движения звёзд в Leo II (скорость около 15 км/с) и размеры галактики (диаметр в 9000 световых лет) позволили получить минимальную массу бозона — 2,2×10-21 электронвольт, что в триллионы раз меньше массы нейтрино.
Для подтверждения расчётов команда разработала 5000 моделей Leo II, учитывающих распределение массы и перемещение звёзд. Каждая из моделей была соотнесена с волновыми функциями — математическими описаниями квантового состояния тёмной материи. Было установлено, что только частицы, масса которых превышает указанный порог, способствуют формированию текущей структуры галактики.
Первичные оценки массы бозонов основывались на сложных астрофизических процессах, таких как динамика газа или история температурных изменений во вселенной. Новый метод, использующий квантовую механику и кинематику звёзд, устраняет эти переменные, тем самым увеличивая его универсальность. В будущем подход может быть адаптирован для комбинированных моделей, частью которых является сверхлёгкая тёмная материя и «холодная» тёмная материя (по стандартной теории). Такой подход позволит детальнее изучать взаимосвязь астрофизики и физики элементарных частиц.
Хотя выводы исследователей сделаны с осторожностью, они сулят значительный прогресс: новая методология открывает возможности для анализа данных с телескопов, таких как JWST и Rubin Observatory. Возможно, уже в ближайшие годы станет возможно не только определить массу тёмной материи, но и в конечном итоге разгадать природу 85% вещества Вселенной.
Источник: iXBT
