Введение
Гипотетический тип темной материи в физике
В космологии и физике холодная темная материя (ХТМ) — это гипотетический тип темной материи. Согласно современной стандартной космологической модели, ΛCDM-модели, приблизительно 27% Вселенной составляет темная материя и 68% — темная энергия, при этом лишь небольшая доля приходится на обычную барионную материю, из которой состоят звезды, планеты и живые организмы. Термин "холодная" указывает на то, что темная материя движется медленно по сравнению со скоростью света, что соответствует пренебрежимо малому уравнению состояния. "Темная" означает, что она очень слабо взаимодействует с обычной материей и электромагнитным излучением. К потенциальным кандидатам на роль ХТМ относятся слабо взаимодействующие массивные частицы, первичные черные дыры и аксионы.
История
Теория холодной тёмной материи была впервые опубликована в 1982 году Джеймсом Пиблсом, а идея тёплой тёмной материи была предложена независимо и одновременно Дж. Ричардом Бондом, Алексом Сзэлаем и Майклом Тёрнером, а также Джорджем Блюменталем, Х. Пейджэлсом и Джоэлом Примаком. В обзорной статье 1984 года Блюменталь, Сандра Мур Фабер, Примак и Мартин Рис детально разработали эту теорию.
Формирование структуры
В теории холодной тёмной материи структура формируется иерархически: сначала коллапсируют небольшие объекты под действием собственной гравитации, а затем, сливаясь в непрерывной иерархии, образуют более крупные и массивные объекты. Прогнозы, вытекающие из модели холодной тёмной материи, в целом согласуются с наблюдениями космологической крупномасштабной структуры. В парадигме горячей тёмной материи, популярной в начале 1980-х годов, но утратившей популярность в 1990-х, структура формируется не иерархически (снизу вверх), а путём фрагментации (сверху вниз): сначала образуются крупнейшие суперкластеры в виде плоских, похожих на блины, структур, которые затем фрагментируются на более мелкие объекты, такие как наша галактика Млечный Путь. Начиная с конца 1980-х или 1990-х годов, большинство космологов склоняются к теории холодной тёмной материи (в частности, к современной модели ΛCDM) как к описанию эволюции Вселенной от гладкого начального состояния в ранние эпохи (подтверждённого космическим микроволновым фоновым излучением) к наблюдаемому сегодня неравномерному распределению галактик и их скоплений – крупномасштабной структуре Вселенной. Карликовые галактики играют ключевую роль в этой теории, поскольку образовались из флуктуаций плотности в ранней Вселенной и теперь являются естественными строительными блоками для формирования более крупных структур.
Состав
Темная материя обнаруживается по ее гравитационным взаимодействиям с обычной материей и излучением. В связи с этим, очень сложно определить, из чего состоит холодная темная материя. Кандидаты на эту роль можно разделить примерно на три категории:
Аксионы – очень легкие частицы с определенным типом самодействия, что делает их подходящими кандидатами в CDM. Начиная с конца 2010-х годов, аксионы стали одними из наиболее перспективных кандидатов на роль темной материи. Аксионы имеют теоретическое преимущество, заключающееся в том, что их существование решает проблему сильного CP в квантовой хромодинамике, однако аксионные частицы были лишь теоретически предсказаны и никогда не обнаружены. Аксионы являются примером более общей категории частиц, называемых WISP (слабо взаимодействующие "легкие" частицы), которые являются маломассивными аналогами WIMP. Массивные компактные объекты гало (MACHO) – крупные, сжатые объекты, такие как черные дыры, нейтронные звезды, белые карлики, очень тусклые звезды или не излучающие объекты, например, планеты. Поиск этих объектов основан на использовании гравитационного линзирования для обнаружения влияния этих объектов на фоновые галактики. Большинство экспертов полагают, что ограничения, полученные в ходе этих поисков, исключают MACHO как жизнеспособного кандидата в темную материю. Слабо взаимодействующие массивные частицы (WIMP). В настоящее время не существует известных частиц, обладающих необходимыми свойствами, но многие расширения стандартной модели физики частиц предсказывают существование таких частиц. Поиск WIMP включает в себя попытки прямого обнаружения с помощью высокочувствительных детекторов, а также попытки создания WIMP в ускорителях частиц. Исторически WIMP считались одними из наиболее перспективных кандидатов на роль составляющих темной материи.
Проблема с ореолом
Распределения плотности гало темной материи в симуляциях холодной темной материи (по крайней мере, в тех, которые не учитывают влияние барионной обратной связи) гораздо более концентрированные, чем то, что наблюдается в галактиках при исследовании их кривых вращения.
Проблема карликовых галактик
Моделирование холодной темной материи предсказывает существование большого числа небольших гало темной материи, превышающего количество наблюдаемых карликовых галактик вокруг галактик вроде Млечного Пути.
Проблема с спутниковым диском
Карликовые галактики вокруг Млечного Пути и галактики Андромеды наблюдаются обращающимися по тонким, плоским структурам, в то время как результаты моделирования предсказывают, что они должны быть распределены случайным образом вокруг своих главных галактик.
Проблема с высокоскоростными галактиками
Галактики в ассоциации NGC 3109 удаляются слишком быстро, чтобы это соответствовало предсказаниям модели ΛCDM. В рамках этой модели, NGC 3109 обладает слишком большой массой и находится слишком далеко от Местной группы, чтобы быть выброшенной в результате тройного гравитационного взаимодействия с Млечным Путем или галактикой Андромеды.
Проблема морфологии галактик
Если галактики росли иерархически, то массивным галактикам требовалось множество слияний. Крупные слияния неизбежно приводят к формированию классической выпуклости. Однако около 80% наблюдаемых галактик не демонстрируют наличия таких выпуклостей, и гигантские галактики с чистым диском встречаются повсеместно. Это противоречие можно оценить, сравнив наблюдаемое распределение форм галактик в настоящее время с предсказаниями высокоразрешающих гидродинамических космологических симуляций в рамках модели ΛCDM, что выявляет серьезную проблему, которую вряд ли удастся решить, просто повысив разрешение симуляций. Высокая доля галактик без выпуклости оставалась почти постоянной на протяжении 8 миллиардов лет.
Проблема с галактикой
Если бы галактики были погружены в массивные гало холодного темного вещества, то перемычки, которые часто формируются в их центральных областях, замедлялись бы из-за динамического трения с гало. Это серьезно расходится с тем фактом, что наблюдаемые галактические перемычки обычно вращаются быстро.
Маломасштабный кризис
Сравнение модели с наблюдениями может выявить некоторые проблемы в масштабах подгалактик, возможно, предсказывая избыточное количество карликовых галактик и слишком большое количество темной материи в самых центральных областях галактик. Эта проблема известна как "кризис малых масштабов". Эти малые масштабы сложнее воспроизвести в компьютерных симуляциях, поэтому пока неясно, связана ли проблема с ограничениями самих симуляций, нестандартными свойствами темной материи или более фундаментальной ошибкой в модели.
Галактики с высоким красным смещением
Наблюдения, полученные с космического телескопа Джеймса Уэбба, позволили подтвердить спектроскопически существование множества галактик на высоких красных смещениях, таких как JADES GS z13 0 при космологическом красном смещении 13,2. Среди других галактик-кандидатов, не подтвержденных спектроскопически, – CEERS 93316 с космологическим красным смещением 16,7. Такая высокая скорость формирования крупных галактик в ранней Вселенной представляется противоречивой по отношению к темпам формирования галактик, допустимым в существующей ΛCDM-модели через гало темной материи, поскольку даже при 100%-ной эффективности формирования галактик и полном превращении массы в звезды в рамках ΛCDM, этого было бы недостаточно для создания столь крупных галактик. Однако это зависит от предположения о начальной функции масс звезд. Если в ранней Вселенной преобладало звездообразование массивных звезд, это могло бы объяснить возникшее противоречие.