Вихори в темній матерії можуть розкрити таємниці космосу

Природа темної матерії залишається однією з найбільших загадок сучасної космології. У стандартних рамках безстолкновітної холодної темної матерії розглядаються різні моделі, включаючи слабковзаємодіючі масивні частинки з масами близько 100 гігаелектронвольт, первинні чорні діри та надлегкі аксіоноподібні частинки з масою від 10 в мінус 22 степені до 1 електронвольта. В останньому випадку темна матерія поводиться як хвиля, яку описує рівняння Шредінгера, а не як сукупність точкових частинок. Це породжує специфічну поведінку на малих масштабах, тоді як на великих масштабах зберігається стандартна динаміка холодної темної матерії.

Філіп Бракс та Патрік Валажеа, дослідники з Інституту теоретичної фізики, вивчили моделі надлегкої холодної темної матерії з відштовхувальними самовзаємодіями, динаміка яких описується нелінійним варіантом рівняння Шредінгера, відомим як рівняння Гроса-Пітаєвського. Це рівняння також зустрічається у фізиці надплинних рідин та конденсатів Бозе-Ейнштейна. У своїй роботі автори простежили формування та динаміку особливих структур, які називаються вихорами та солітонами, всередині ореолів обертової надлегкої темної матерії.

Результати досліджень опубліковані у журналі Physical Review D. Як і у випадку з надплинною рідиною, яку вивчають у лабораторії, в цих моделях ядра темної матерії описуються рівняннями безвихрової рідини. Система тоді може підтримувати загальне обертання лише через появу сингулярностей, тобто вихорів.

Поєднуючи аналітичні та чисельні підходи, автори показали, що обертові ореоли темної матерії справді породжують такі вихори, які далі організуються у стабільну обертову мережу в ядрі ореолу. Ці вихори мають квантований кутовий момент, який залежить від маси частинки темної матерії. Через дію відцентрової сили солітон, тобто ядро темної матерії, набуває осесиметричної сплющеної форми.

Дослідники пояснюють, що в моделях надлегкої темної матерії частинки поводяться принципово інакше, ніж у класичних моделях. Замість того, щоб рухатися як окремі об'єкти, вони формують хвильову структуру, яка підкоряється квантовій механіці. Це призводить до появи унікальних явищ, які неможливі в традиційних моделях холодної темної матерії.

Вихори в темній матерії мають фундаментальну відмінність від звичайних вихорів у рідинах чи газах. Їхній кутовий момент квантується, тобто може приймати лише певні дискретні значення. Ця властивість безпосередньо пов'язана з масою частинок темної матерії і може стати ключем до її виявлення та вивчення.

Якщо ці вихори справді існують, вони можуть запропонувати новий спосіб виявлення надлегкої темної матерії. Наприклад, через аналіз гравітаційних сигнатур, які вони залишають у галактиках. Було б також цікаво дослідити можливий зв'язок між цими вихровими лініями та філаментами космічної павутини.

Космічна павутина являє собою велику структуру Всесвіту, де галактики та скупчення галактик розташовані вздовж довгих ниткоподібних утворень. Якщо вихрові лінії в темній матерії пов'язані з цими філаментами, це могло б пояснити деякі особливості розподілу галактик у Всесвіті.

Таким чином, вихори, аналогічні тим, що спостерігаються в лабораторії у квантовій надплинній фізиці, можуть існувати в ореолах темної матерії на астрофізичних або галактичних масштабах. Це відкриває нові перспективи для розуміння структури Всесвіту та природи темної матерії.

Дослідження Бракса та Валажеа демонструє, як методи, розроблені для вивчення квантових систем у лабораторних умовах, можуть бути застосовані до космологічних масштабів. Рівняння Гроса-Пітаєвського, яке спочатку використовувалося для опису конденсатів Бозе-Ейнштейна при температурах, близьких до абсолютного нуля, виявляється корисним для моделювання поведінки темної матерії в масштабах галактик.

Наступним кроком у цьому напрямку досліджень має стати пошук спостережних доказів існування таких вихорів. Сучасні телескопи та методи гравітаційного лінзування можуть виявитися достатньо чутливими, щоб зареєструвати специфічні гравітаційні ефекти, які створюють вихрові структури в темній матерії. Якщо такі докази будуть знайдені, це стане важливим кроком до розуміння справжньої природи темної матерії та підтвердить моделі надлегких аксіоноподібних частинок.