Галактика, находящаяся на расстоянии около 380 000 световых лет от Земли, может дать новые подсказки в 90-летнем исследовании природы тёмной материи — «невидимого клея, который сдерживает галактики вместе». Загадочная субстанция составляет более 80% массы Вселенной, но её ещё предстоит обнаружить напрямую.
Учёные считают, что галактика-спутник, названная Crater II, может состоять из самовзаимодействующей тёмной материи (SIDM), которая является гипотетическим типом тёмной материи, частицы которой взаимодействуют посредством до сих пор неизвестной силы за пределами гравитации. Эта гипотеза в последние годы привлекла внимание как альтернативная форма обычной «холодной» тёмной материи.
«Когда мы начинали этот проект, мы примерно знали, как работает модель SIDM, но не имели ни малейшего представления о том, насколько хорошо она справится с объяснением наблюдений за Crater II. Наши компьютерные симуляции аналогов Crater II показывают, что согласие между прогнозами и наблюдениями на удивление хорошее, а требуемая сила самовзаимодействия тёмной материи больше, чем мы изначально предполагали», — рассказал соавтор исследования Хай-Бо Ю, профессор физики и астрономии в Калифорнийском университете в Риверсайде.
Галактика Crater II, обнаруженная в 2016 году на снимках, полученных Очень Большим Телескопом (VLT) в Чили, является четвёртым по величине спутником Млечного Пути — после Большого и Малого Магеллановых Облаков и галактики Стрельца. В этой галактике находится несколько миллиардов старых звезд, которые разбросаны на расстоянии 6500 световых лет, что делает эту галактику удивительно тусклой — почти в 100 000 раз тусклее, чем Млечный Путь.
Несмотря на многочисленные попытки на протяжении многих лет смоделировать свойства Crater II, то, как галактика сформировалась и сохраняет свои относительно большие размеры, остаётся не до конца изученным. Астрономы знают, что Crater II развивается на протяжении эонов под гравитационным влиянием Млечного Пути. Оно также влияет на гало тёмной материи, окружающую Crater II, а также на её звёзды галактики.
Однако недавние измерения орбиты галактики вокруг Млечного Пути показывают, что эти взаимодействия слишком слабы, чтобы объяснить плотность тёмной материи Crater II — если тёмная материя состоит из «холодных» частиц, как предсказывает преобладающая модель космологии Лямбда-CDM (LCDM). Длительные гравитационные взаимодействия со Млечным Путём также должны были уменьшить Crater II больше, чем наблюдалось.
На основе измерений орбиты Crater II Ю и другие члены команды смоделировали потерю массы звёзд и частиц тёмной материи из-за приливной силы Млечного Пути. Команда обнаружила, что наблюдаемые свойства галактики можно объяснить частицами тёмной материи, которые взаимодействуют друг с другом.
Примечательно, что Crater II не имеет высокоплотного «каспа тёмной материи» по направлению к своему центру, как предсказывает модель LCDM. С другой стороны, если тёмная материя действительно состоит из самовзаимодействующих частиц, то столкновения во внутренних областях гало тёмной материи могут передавать энергию между частицами «и заставляют их переносить одинаковое количество энергии», сказал Ю. Это бы выровняло бы гало Crater II и объяснило отсутствие центрального «каспа», согласно исследованию команды, опубликованному в The Astrophysical Journal Letters.
SIDM также предсказывает, что галактика будет расширяться внутри гало тёмной материи, что, по словам исследователей, объясняет большой размер Crater II лучше, чем модели CDM.