Телескоп Джеймса Уэбба может пролить свет на темную материю

С момента начала своих операций в 2022 году, Телескоп Джеймса Уэбба (JWST) позволил ученым сделать невероятные шаги в понимании космоса, особенно в раннюю эпоху. Однако одна из оставшихся космологических загадок, на которую JWST не оказал существенного влияния, - это природа темной материи. Теперь новые исследования предполагают, что это может скоро измениться.

Хотя темная материя, как считается, составляет 85% материи во Вселенной, она трудно исследуема, поскольку не взаимодействует с электромагнитным излучением (светом) или взаимодействует с ним так слабо, что мы не можем ее обнаружить. Это отсутствие взаимодействия с светом говорит ученым, что частицы, составляющие темную материю, не являются протонами, нейтронами и электронами, которые составляют обычную материю, которую мы видим вокруг нас каждый день, от самых массивных звезд до вирусов, которые делают нашу жизнь несчастной каждую зиму. Поиск потенциальной частицы темной материи привел к подозреваемым, но они все остаются разочаровывающе гипотетическими.

Единственный способ, которым ученым можно сделать вывод о присутствии темной материи, - это наблюдать за гравитационным влиянием, которое она оказывает на ткань пространства и то, как это влияет на обычную материю и свет. Эти новые исследования, опубликованные в журнале Nature Astronomy, предполагают, что гравитационное влияние темной материи может быть причиной странной формы молодых галактик с неожиданно вытянутой формой. И изучение этих форм может раскрыть, какая из этих гипотетических частиц является лучшим рецептом для темной материи.

Изучение этих вытянутых галактик с помощью JWST может помочь раскрыть присутствие темной материи, говорят ученые. "В расширяющейся Вселенной, определенной теорией общей относительности Эйнштейна, галактики растут со временем из pequeных скоплений темной материи, которые образуют первые звездные скопления и собираются в более крупные галактики посредством своей коллективной гравитации", - сказал член команды Рогир Виндхорст из Университета штата Аризона.

Но теперь JWST предполагает, что ранние галактики могут быть встроены в заметные нитевидные структуры, которые, в отличие от холодной темной материи, гладко соединяют регионы звездообразования вместе, более подобно тому, что ожидается, если темная материя является сверхлегкой частицей, которая также проявляет квантовое поведение.

Понимание темной материи - это растяжка. Когда ученые используют симуляции для реконструкции того, как образовались первые галактики в ранней Вселенной, позволяя охлажденному газу собираться вдоль нитей в сети темной материи, они могут довольно точно реконструировать в основном сферические галактики, которые мы видим в современной Вселенной.

Однако, поскольку JWST позволяет астрономам смотреть назад на галактики, которые существовали на очень ранних стадиях Вселенной, они все чаще находят нитевидные вытянутые галактики, которые не так легко реконструируются в симуляциях, которые придерживаются стандартного механизма собрания газа для рождения звезд и роста галактик.

Для изучения этого Виндхорст и его коллеги посмотрели на симуляции Вселенной, связанные с разными типами темной материи, кроме тех, которые находятся в наиболее принятой модели космологии, модели Lambda Cold Dark Matter (LCDM); "холодная" темная материя, которая не относится к температуре, а rather к скорости, с которой частицы движутся.

Это показало, что волновое поведение "пушистой темной материи" или сверхлегких частиц аксионов может объяснить вытянутую морфологию ранних галактик, видимую JWST.

"Если сверхлегкие частицы аксионов составляют темную материю, их квантовое волновое поведение предотвратит образование физических масштабов меньших, чем несколько световых лет, в течение некоторого времени, что способствует гладкому нитевидному поведению, которое JWST сейчас видит на очень больших расстояниях", - сказал лидер команды Альваро Позо из Международного физического центра Доностия.

Моделирование команды также показало, что более быстрые "теплые темные частицы", такие как стерильные нейтрино, могут также привести к ранним нитевидным галактикам. В обоих сценариях волновой темной материи и теплой темной материи это связано с тем, что эти частицы дают более гладкие нити, чем холодная темная материя. Когда газ и звезды медленно текут по этим нитям, начинают образовываться вытянутые галактики.

JWST продолжит изучать странно выглядящие галактики в ранней Вселенной, а исследователи на Земле будут продолжать развивать симуляции ранней Вселенной. Объединение этих двух факторов может в конечном итоге помочь решить загадку темной материи.

Исследования команды были опубликованы 8 декабря в журнале Nature Astronomy.