Теплая темная материя

Против холодной

Компьютерное моделирование показывает, что таинственная темная материя может состоять из очень быстрых и очень легких частиц – вопреки широко распространенной теории. Находка может объяснить удивительно чистый химический состав некоторых звезд Млечного пути и удивительно большую массу гигантской черной дыры, лежащей в его центре.

При компьютерном моделировании на раннем этапе существования Вселенной и теплая, и холодная темная материя формировали длинные нити


На следующих фазах теплая темная материя образовала плотные сети, в которых формировались звезды различных размеров – некоторые из них могут прожить вплоть до наших дней


Однако нити холодной темной материи быстро хаотично схлопывались сферические пузырьки, в центре каждого из которых формировались крупные звезды, сияющие очень ярко и очень недолго

Темная материя – весьма загадочная субстанция, наблюдать которую можно лишь по ее гравитационному влиянию на обычную материю. Существование ее до недавнего времени было предсказано только теоретически. И лишь в последние годы стали появляться достоверные экспериментальные свидетельства (читайте, например, «Темная история» или «Темное кольцо»).

Но сама природа темной материи остается недоступной для исследования, хотя на сей счет существует ряд гипотез. Самая популярная модель говорит о том, что она состоит из весьма тяжелых и малоподвижных субатомных частиц – эта версия известна под названием «холодной темной материи». Другая – гипотеза «теплой темной материи», напротив, подразумевает существование очень быстрых и легких частиц. Если это так, то их быстрое движение вызывает «размазывание» небольших и крайне плотных сгустков материи, которые иначе могли бы существовать в центре крупных галактик, в том числе и Млечного пути. Последние исследования говорят о том, что таких сгустков и вправду нет.

Британские ученые Лиянг Гао (Liang Gao) и Том Теунс (Tom Theuns) провели опыты по компьютерному моделированию, в котором сравнивали поведение теплой и холодной темной материи в ранней Вселенной. Поначалу оба варианта развивались схожим образом, стягиваясь под действием гравитации в сеть нитей, пересекающих Вселенную.

Однако затем темная материя схлопывалась в пузырьки, причем в «теплой» модели быстрое движение частиц вызывало растягивание пузырьков с образованием новых, более тонких и плотных нитей, типичная из которых растягивалась до 10 тыс. световых лет в длину и имела массу аж в 10 млн. солнечных. Они притягивали к себе частицы обычной материи, помогая формированию звезд из водорода и гелия. Звезды образовывались достаточно случайных размеров – одни из них быстро сгорали, другие же могли бы существовать вплоть до наших дней.

В модели же с холодной темной материей все было совсем не так. Пузырьки оставались пузырьками, и в центре каждого из них формировались очень крупные, ярко сиявшие звезды, быстро сжигавшие запас гелия и водорода с образованием более тяжелых элементов. После этого они взрывались, наполняя вселенную этими производными, приводя к образованию следующего поколения звезд, состоящих уже из этих элементов. Согласно этой модели, к настоящему времени во Вселенной вообще не осталось бы звезд, построенных только из водорода и гелия.

Напомним, что за последние годы в Млечном пути обнаружен ряд небольших звезд, крайне бедных тяжелыми элементами и состоящих практически полностью из водорода и гелия. Это, с учетом проведенных Гао и Теунсом опытов по моделированию, говорит в пользу гипотезы теплой темной материи, с ее быстрыми и легкими субатомными частицами.

Нити теплой темной материи также объясняют некоторые моменты рождения черных дыр. Действительно, многие звезды, сформировавшиеся в ходе компьютерного моделирования из холодной темной материи, в итоге превратились в черные дыры. Однако дыры эти были лишь в несколько раз тяжелее Солнца. Образование сверхмассивных черных дыр, в миллиарды раз тяжелее, наподобие той, что лежит в центре Млечного пути, не наблюдалось.

С другой стороны, нити теплой темной материи в моделировании иногда коллапсировали, стягивая окружающие звезды, газо-пылевые облака и мелкие черные дыры достаточно близко друг к другу, чтобы те, сливаясь, образовали колоссальные черные дыры, которые и наблюдаются в современной Вселенной.