Гигантское скопление галактик El Gordo трудно объяснить привычными космологическими моделями. Новые компьютерные расчеты показывают, что его необычный размер мог возникнуть, если частицы темной материи способны взаимодействовать друг с другом — и при некоторых столкновениях охлаждаться.
El Gordo находится примерно в семи миллиардах световых лет от Земли и состоит из двух сталкивающихся скоплений галактик. Их общая масса превышает два квадриллиона масс Солнца. Прозвище скопления переводится с испанского как «Толстяк». Особенно необычно то, что оно настолько велико для ранней эпохи, в которую существовало: ученым трудно объяснить, как такой объект успел сформироваться.
Некоторые астрономы считают, что существование El Gordo ставит под сомнение стандартную космологическую модель. В общепринятых теориях холодная темная материя почти не взаимодействует сама с собой, и потому происхождение столь массивного скопления за короткий срок объяснить непросто. Исследование, опубликованное в журнале Astrophysical Journal, предлагает возможное объяснение: частицы темной материи могут взаимодействовать между собой.
Темная материя составляет основную часть массы космоса, но почти не взаимодействует со светом и обычным веществом. Один из открытых вопросов физики — могут ли ее частицы активно сталкиваться друг с другом. Наиболее распространенная гипотеза предполагает, что таких взаимодействий почти нет. Темную материю считают «холодной»: ее частицы обладают низкой кинетической энергией.
Если частицы постоянно сталкиваются, они могут выделять тепло, подобно обычному веществу при трении. Модели самовзаимодействующей темной материи способны ускорить появление ранних массивных скоплений, однако в стандартных расчетах такое взаимодействие приводит к появлению «теплой» темной материи. Это создает трудность: прежние модели с упругими столкновениями не давали однозначного описания El Gordo.
В новой работе рассматривается система с основным и возбужденным состояниями темной материи. Большинство столкновений в ней остаются упругими. Но при достаточно высокой энергии столкновение переводит частицу в возбужденное состояние и поглощает часть кинетической энергии. Так частицы могут одновременно эффективнее собираться в скопления и охлаждаться.
Моделирование методом N тел, который рассчитывает движение множества взаимодействующих объектов, показало: двухкомпонентная модель с упругими и неупругими столкновениями лучше всего описывает наблюдаемую структуру El Gordo. Она точнее моделей с невзаимодействующей темной материей или только упругими столкновениями.
Это возможное объяснение, а не окончательный ответ. Точная масса El Gordo и скорость столкновения его частей пока измерены недостаточно точно. Если масса скопления окажется у нижней границы оценок, предложенная модель не подтвердится. Пока частицы темной материи не обнаружены напрямую, природа этого космического гиганта остается загадкой.