Темная материя: решена загадка ее распределения в галактиках
Гравитационные силы, под действием которых Вселенная эволюционировала из состояния точки, во время Большого взрыва, до сегодняшнего дня, когда материя распределена в галактиках, звездах и планетах, создает, так называемая «темная материя». Но несмотря на то что, этот компонент Вселенной играет такую значительную роль, мы почти ничего не знаем о его природе, поведении и составе, что является одной из основных проблем современной физики. В недавней статье в журнале Astronomy & Astrophysics Letters ученые из Канарского института астрофизики (Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC)), Университета Ла Лагуна (University of La Laguna (ULL)) и Национального университета северо-западной провинции Буэнос-Айреса (National University of the North-West of the Province of Buenos Aires) показали, что темная материя в галактиках подчиняется законам распределения максимальной энтропии.
Несмотря на то, что темная материя составляет 85% материи известной нам Вселенной, ее существование проявляется только в астрономических масштабах. Другими словами, из-за ее слабого взаимодействия чистый эффект можно заметить только тогда, когда она присутствует в огромных количествах. Поскольку присутствие темной материи проявляется только в больших масштабах, открытие ее природы, вероятно, должно быть сделано с помощью астрофизических исследований.
Темная материя и максимальная энтропия
Сказать, что распределение темной материи организовано в соответствии с максимальной энтропией (что равносильно «максимальному беспорядку» или «термодинамическому равновесию»), означает, что она находится в своем наиболее вероятном состоянии. Чтобы достичь «максимального беспорядка», частицы темной материи должны сталкиваться друг с другом, точно так же как это делают молекулы газа, чтобы достичь равновесия, в котором их плотность, давление и температура связаны между. Однако доподлинно неизвестно, как темная материя достигла такого равновесия.
«В отличие от молекул воздуха, частицы темной материи, из-за слабого гравитационного воздействия, вряд ли сталкиваются друг с другом, поэтому механизм, с помощью которого они достигают равновесия, остается загадкой», — говорит Хорхе Санчес Алмейда, исследователь IAC, ведущий автор статьи. «Однако, если они все же сталкиваются, то это придает им особую природу, что частично решает тайну их происхождения», — добавляет он.
Максимальная энтропия темной материи была обнаружена в карликовых галактиках, в которых отношение темной материи к общему количеству материи выше, чем в более массивных галактиках, поэтому в них легче увидеть этот эффект. Однако исследователи ожидают, что это поведение характерно для всех типов галактик.
Из исследования следует, что распределение материи в термодинамическом равновесии имеет гораздо более низкую плотность в центральной части исследуемой области, чем предполагалось ранее, при описании таких явлений как гравитационные линзы или при разработке экспериментов по обнаружению темной материи путем ее самоаннигиляции.
Плотность центральной области является основой для правильной интерпретации искривления света гравитационными линзами: чем меньше плотность, тем меньше эффект, создаваемый линзой.
Плотность центральной области также очень важна для экспериментов, которые пытаются обнаружить темную материю с помощью ее самоаннигиляции. Две частицы темной материи могут взаимодействовать и исчезать в процессе, который маловероятен, но характерен для их природы. Для взаимодействия двух частиц они должны столкнуться. Вероятность этого столкновения зависит от плотности темной материи; чем выше плотность, тем выше вероятность столкновения.
«По этой причине, если плотность изменится, то изменится и ожидаемая скорость самоаннигиляции». — говорит Санчес Алмейда.
Наконец, термодинамическое равновесие темной материи может также объяснить изменения яркости галактик. Яркость галактик падает необычным образом, по мере увеличения расстояния от центра галактики. Физический механизм этого явления неизвестен, но исследователи работают над тем, чтобы это связать с равновесием с максимальной энтропией.
Сравнивая моделирование и наблюдения.
Плотность темной материи в центрах галактик оставалась загадкой на протяжении десятилетий. Существует сильное расхождение между результатами моделирования (высокая плотность) и результатами наблюдения (низкое значение). Астрономы предложили много вариантов, чтобы разрешить это главное разногласие.
В этой статье исследователи показали, используя базовые физические принципы и наблюдения, можно сделать предположение, что темная материя находится в равновесии, то есть имеет максимальную энтропию. Последствия этого результата могут быть очень важны, потому что они указывают на то, что темная материя обменивается энергией сама с собой и/ или с оставшейся «обычной» материей.
«Тот факт, что равновесие было достигнуто за такое короткое время по сравнению с возрастом Вселенной, может быть результатом взаимодействия темной и обычной материи в дополнение к гравитации», — предполагает Игнасио Трухильо, исследователь IAC и соавтор данной статьи. «Точную природу этого механизма необходимо изучить, но результаты могут быть захватывающими, если вы поймете, что представляет из себя компонент, который преобладает в общем количестве материи во Вселенной».