Новое видение темной материи: El Gordo показывает свойства столкновения

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com

В безграничных просторах космоса, где царствует загадочная темная материя, разворачивается грандиозная космическая драма — слияние гигантских скоплений галактик. Одно из таких впечатляющих событий, известное как «El Gordo» (в переводе с испанского «Толстяк»), привлекает пристальное внимание астрофизиков уже более десяти лет.

El Gordo, расположенный на расстоянии около 7 миллиардов световых лет от нас, представляет собой невероятно мощный источник излучения в рентгеновском диапазоне. Слияние двух массивных скоплений, происходящее на колоссальной скорости, порождает уникальную картину — два ярких, расходящихся хвоста из раскаленного газа, простирающихся на огромные расстояния.

Эта космическая катастрофа, по своей сути, является одним из самых мощных событий во Вселенной со времен Большого взрыва. Именно El Gordo, как считают ученые, может раскрыть нам многие тайны темной материи, которая, по оценкам, составляет 80% массы скопления.

В этой статье мы погрузимся в мир слияния El Gordo, разберем ключевые особенности этого явления и попытаемся разобраться, насколько оно вписывается в рамки стандартной космологической модели.

Стандартная модель в опасности?

Стандартная космологическая модель, основанная на теории холодной темной материи (CDM), успешно описывает эволюцию Вселенной на больших масштабах. Однако наблюдения за El Gordo бросают серьезный вызов этой модели.

Рентгеновские изображения поверхностной яркости, полученные в результате моделирования моделей B_1 и A_1, для различных направлений обзора. Размер ячейки - 1,6 Мпк, время - в гигагерцах, при t = 0 в момент прохождения перицентра. На каждой панели эпоха, t, - это момент, когда прогнозируемое расстояние, dDM, между центроидами масс составляет приблизительно dDM ∼ 700 кпк; На каждой панели наложены логарифмически разнесенные контурные уровни прогнозируемой рентгеновской поверхностной яркости (красный) и плотности массы (белый). Изнутри наружу контурные уровни поверхностной яркости рентгеновского излучения и поверхностной плотности массы составляют: (6.6, 4.4, 2.9, 1.9, 1.2) × 10-1 counts arcsec-2 и (5.6, 3.1, 1.8) × 10-1 gr cm-2. Крестиками обозначены прогнозируемые пространственные положения центроидов массы (зеленый) и поверхностной яркости рентгеновского излучения (красный); желтый крестик показывает положение центроида SZ. В частности, средние панели моделей A_1 и B_1 соответствуют фидуциальным моделям A и B из ZYL15. Для этих моделей рентгеновская светимость в диапазоне 0,5-2 кэВ дана в единицах 1045 эрг-1. Для фидуциальной модели B_1 (верхняя средняя панель) пунктирной оранжевой линией показано расположение и ориентация пространственной области, используемой для выделения профиля поверхностной яркости рентгеновского излучения — Рентгеновские изображения поверхностной яркости, полученные в результате моделирования моделей B₁ и A₁, для различных направлений обзора. Размер ячейки — 1,6 Мпк, время — в гигагерцах, при t = 0 в момент прохождения перицентра. На каждой панели эпоха, t, — это момент, когда прогнозируемое расстояние, dDM, между центроидами масс составляет приблизительно dDM ∼ 700 кпк; На каждой панели наложены логарифмически разнесенные контурные уровни прогнозируемой рентгеновской поверхностной яркости (красный) и плотности массы (белый). Изнутри наружу контурные уровни поверхностной яркости рентгеновского излучения и поверхностной плотности массы составляют: (6.6, 4.4, 2.9, 1.9, 1.2) x 10-1 counts arcsec-2 и (5.6, 3.1, 1.8) x 10-1 gr cm-2. Крестиками обозначены прогнозируемые пространственные положения центроидов массы (зеленый) и поверхностной яркости рентгеновского излучения (красный); желтый крестик показывает положение центроида SZ. В частности, средние панели моделей A₁ и B₁ соответствуют фидуциальным моделям A и B из ZYL15. Для этих моделей рентгеновская светимость в диапазоне 0,5-2 кэВ дана в единицах 1045 эрг-1. Для фидуциальной модели B₁ (верхняя средняя панель) пунктирной оранжевой линией показано расположение и ориентация пространственной области, используемой для выделения профиля поверхностной яркости рентгеновского излучения
Автор: An N-body/hydrodynamical simulation study of the merging cluster El Gordo: A compelling case for self-interacting dark matter? R. Valdarnini A&A, 684 (2024) A102 DOI: https://doi.org/10.1051/0004-6361/202348000 CC-BY 4.0 Источник: www.aanda.org

Согласно CDM, темная материя должна взаимодействовать с обычным веществом исключительно гравитационно. Однако, в El Gordo, рентгеновский газ, составляющий обычную материю, и темная материя демонстрируют заметные пространственные смещения. Это указывает на то, что темная материя, вероятно, обладает дополнительными свойствами, позволяющими ей взаимодействовать с собой.

Новая модель взаимодействия темной материи

Ученые предлагают альтернативную модель, где темная материя «само-взаимодействует» (SIDM). Эта модель предполагает, что темные материи частицы способны сталкиваться друг с другом, взаимодействуя посредством силы, отличной от гравитации.

То же, что и на рис. выше, но для моделей слияния Bf и Bg. Каждая панель относится к моделированию с различным радиусом газового ядра rc = rs/ζ основного (см. табл. 2). На всех панелях карты построены вдоль одного и того же направления обзора ({α, i}={-90° ,30° }) базовой модели B_1 на рис. 1. Пороги и расстояние между уровнями контуров такие же, как на рис. 1. Левые панели - выбранные фидуциальные модели Bf_rc20 и Bg_rc20 для этих прогонов слияния.Переведено с помощью DeepL.com (бесплатная версия) — То же, что и на рис. выше, но для моделей слияния Bf и Bg. Каждая панель относится к моделированию с различным радиусом газового ядра rc = rs/ζ основного (см. табл. 2). На всех панелях карты построены вдоль одного и того же направления обзора ({α, i}={-90°, 30° }) базовой модели B₁ на рис. 1. Пороги и расстояние между уровнями контуров такие же, как на рис. 1. Левые панели — выбранные фидуциальные модели Bf_rc20 и Bg_rc20 для этих прогонов слияния. Переведено с помощью DeepL.com (бесплатная версия)
Автор: An N-body/hydrodynamical simulation study of the merging cluster El Gordo: A compelling case for self-interacting dark matter? R. Valdarnini A&A, 684 (2024) A102 DOI: https://doi.org/10.1051/0004-6361/202348000 CC-BY 4.0 Источник: www.aanda.org

Имитация слияния El Gordo

Чтобы проверить SIDM-модель, ученые разработали ряд компьютерных симуляций, моделирующих слияние El Gordo. Эти симуляции позволяют «увидеть» эволюцию скопления во времени и изучить взаимодействие темной материи с обычным веществом.

Рентгеновские профили поверхностной яркости в следе нескольких моделей слияния скоплений. Область выделения профилей показана на предыдущих изображениях пунктирной оранжевой линией. Расстояние измеряется в дуговых секундах вдоль траектории выделения, модель B_1 - соответствующая B-модель ZYL15 и используется здесь в качестве эталонной модели. Ширина заштрихованной области представляет собой неопределенность наблюдений Чандры — Рентгеновские профили поверхностной яркости в следе нескольких моделей слияния скоплений. Область выделения профилей показана на предыдущих изображениях пунктирной оранжевой линией. Расстояние измеряется в дуговых секундах вдоль траектории выделения, модель B₁ — соответствующая B-модель ZYL15 и используется здесь в качестве эталонной модели. Ширина заштрихованной области представляет собой неопределенность наблюдений Чандры
Автор: An N-body/hydrodynamical simulation study of the merging cluster El Gordo: A compelling case for self-interacting dark matter? R. Valdarnini A&A, 684 (2024) A102 DOI: https://doi.org/10.1051/0004-6361/202348000 CC-BY 4.0 Источник: www.aanda.org

Результаты симуляций

Результаты симуляций показывают, что SIDM-модель способна объяснить многие особенности El Gordo. Например, модель точно предсказывает размеры и форму рентгеновских хвостов, а также пространственные смещения между компонентами темной материи и обычного вещества.

Однако, симуляции также выявили некоторые проблемы. SIDM-модель требует существенно более высокой степени взаимодействия темных материи частиц, чем предполагалось ранее. Это противоречит наблюдениям за другими скоплениями галактик, где взаимодействие темной материи оказывается намного слабее.

Не решенные вопросы

Слияние El Gordo подчеркивает важность дальнейших исследований темной материи. Несмотря на успехи SIDM-модели, она еще не может полностью объяснить все наблюдаемые характеристики El Gordo. Например, симуляции не в полной мере учитывают влияние галактик, содержащихся в скоплении, а также не успели провести полноценный анализ влияния взаимодействия темной материи на форму рентгеновских хвостов.

El Gordo как «лаборатория» для изучения темной материи

Слияние El Gordo, без сомнения, является исключительным событием, которое бросает вызов нашим знаниям о темной материи. Это событие подчеркивает необходимость в дальнейших исследованиях и создании более совершенных моделей взаимодействия темной материи. El Gordo может стать ключом к разгадке одной из самых интригующих загадок современной астрофизики.