Една ексцентрична нова форма на тъмна материя може да разгадае тайните на гравитацията и нашата Вселена

Векове наред учените са в коварен и неуловим лов на невидимо „лепило“, което според мнозина държи нашия космос цял. До този момент никой не е успял директно да наблюдава тази така наречена тъмна материя, но съществуват неоспорими доказателства за нейното съществуване. Най-яркото от тях е гравитационният ефект, който тя упражнява върху близките видими обекти. Разбирането на този феномен може да се окаже липсващият ключ към разрешаването на най-дълбоките мистерии на Вселената. Наскоро астрономите изглежда са попаднали на изключително ценна следа, която най-накрая би могла да им помогне да локализират и изследват този материал.

Повечето съвременни научни теории сочат, че тъмната материя съставлява приблизително 85 процента от цялата материя във Вселената. Проблемът е, че тя е изградена от компоненти, които остават напълно невидими за нашите най-мощни телескопи. Друга причина, поради която е толкова трудна за улавяне, е хипотезата на част от научната общност, че тази загадъчна субстанция е „безсблъсъчна“ (collisionless). Това означава, че нейните частици взаимодействат помежду си и с останалата материя единствено по косвен път – чрез силата на гравитацията.

Ново изследване, публикувано в престижното научно списание Physical Review Letters, обаче е напът изцяло да преобърне това дългогодишно предположение. Авторите на проучването предлагат радикално нов модел: вид тъмна материя, която е „самовзаимодействаща“ (self-interacting dark matter или SIDM). За разлика от традиционната концепция, тези нови частици не просто биха реагирали помежду си, но и биха влизали в директен контакт с останалия материал около тях.

„Преведено на обикновен човешки език, самовзаимодействащата тъмна материя се държи подобно на гъста тълпа от хора, които умишлено се блъскат един в друг, вместо тихо и предпазливо да избягват останалите в групата“, обяснява д-р Хай-Бо Ю (Hai-Bo Yu), физик от Калифорнийския университет в Ривърсайд и един от водещите автори на изследването.

Вместо да е изградена от изцяло лишен от сблъсъци и „студен“ (бавно движещ се) материал, изследването на д-р Ю предполага, че самовзаимодействащата тъмна материя може перфектно да обясни някои специфични космически структури, които виждаме в телескопите днес.

Голямото предизвикателство пред физиката

Основното предизвикателство пред доказването на теорията на д-р Ю се крие в простия факт, че все още нямаме представа от какви точно частици е изградена тъмната материя. Това споделя д-р Йонатан Хан (Yonatan Khan), физик от Университета в Торонто, който не е участвал директно в проучването.

Ние не знаем колко тежи тя. Не знаем дали взаимодейства с обикновената материя чрез сили, различни от откритата гравитация. Не знаем със сигурност и дали взаимодейства със самата себе си.

Д-р Хан уточнява, че д-р Ю не е първият учен, който предлага съществуването на подобна форма на материя. Причината тя да остане недоказана до момента се корени изцяло в проблемите с астрономическите наблюдения. Трудността винаги е била в това да се открият правилните астрофизични наблюдаеми обекти, които да се фокусират конкретно върху специфичните подписи на самовзаимодействащата тъмна материя.

Ако обаче тъмната материя наистина притежава способността да взаимодейства със себе си, д-р Ю предполага, че когато нейните частици се сблъскат, те ще произведат толкова огромна енергия, че тя би могла да доведе до колапс и формиране на изключително плътни, компактни ядра (процес, известен в науката като „колапс на ядрото“ или core collapse).

За съжаление нашите суперколайдери – гигантските машини на Земята, които сблъскват частици с умопомрачителна скорост – все още не са достатъчно мощни, за да открият и изолират частиците, свързани с този процес. Но ако в бъдеще астрономите успеят да открият тези свръхплътни космически ядра, те биха могли да помогнат за разрешаването на три ключови космически пъзела, повдигайки завесата над вътрешните механизми на нашата Вселена.

Трите космически загадки, които SIDM може да реши 1. „Белезите“ по лицето на Вселената

В космическото пространство, на разстояние, което в астрономическите каталози често се опростява, се намира специфичен поток от звезди, наречен GD-1. Наблюденията показват, че този звезден поток изглежда буквално „белязан“ – по него има празнина (яма), оставена най-вероятно от енергията на масивен и плътен обект, който е преминал и избутал звездите преди милиони години.

Забележка от астрономията: В популярните доклади понякога погрешно се посочва, че GD-1 е само на 25 светлинни години от нас, но в действителност този огромен звезден поток се разпростира в халото на Млечния път на разстояние около 26 000 светлинни години (приблизително 8 килопарсека) от Земята.

През 2025 г. д-р Ю беше част от научен екип, който публикува статия в списанието The Astrophysical Journal Letters. В нея учените аргументират, че този мистериозен чуждо тяло е трябвало да бъде изключително плътно и изградено именно от самовзаимодействаща форма на тъмна материя. Екипът заявява, че белегът, оставен върху звездния поток, е твърде голям и дълбок, за да бъде обяснен с по-ниската и дифузна плътност на стандартната „студена“ тъмна материя (CDM).

За да се изчисли динамиката на подобни сблъсъци и разпределението на масата, учените използват математически модели за еволюцията на плътността на ядрата във времето, които в уеб формат се изразяват чрез формулата:

rho(t) = rho_0 / (1 – t / t_collapse)^2

Където rho(t) е текущата плътност в даден момент, rho_0 е първоначалната плътност, а t_collapse е времето, необходимо за пълния колапс на ядрото на субхалото.

Д-р Ю добавя, че са необходими още много наблюдения на различни звездни потоци, за да се потвърди категорично хипотезата им. Това обаче не е далечна мечта. Изучаването на тези звездни ленти ще стане напълно възможно в близките няколко години, тъй като натоварените с тази задача широкоъгълни телескопи вече влизат в експлоатация. Сред тях изпъква революционната наземна обсерватория „Вера К. Рубин“ (Vera C. Rubin Observatory), разположена в Cerro Pachón в северно Чили.

„Когато разполагаме с тези данни, може да успеем да изключим други алтернативни обяснения – като например хипотезата, че гравитационният кладенец (или силата) на дадена галактика се променя с течение на времето и деформира звездните потоци по естествен път“, казва д-р Ю.

2. Странни гравитационни ефекти

Астрономите често се възползват от естествените „лупи“ в открития космос. Това, разбира се, не са познатите ни от детството детективски увеличителни стъкла, а феномен, наречен гравитационна леща. Той възниква, когато един изключително масивен и плътен обект – например цяла галактика – пречупва и увеличава светлината на друг обект, разположен точно зад него (гледано от перспективата на наблюдател на Земята). Това позволява на учените да виждат бледи, изключително далечни звезди или галактики, които иначе биха били напълно невидими дори за най-модерната техника.

Самовзаимодействащата тъмна материя може да се окаже липсващото звено в разбирането на тези космически лупи. Д-р Ю посочва, че съществува ултраплътен обект от тъмна материя в една от тези системи с гравитационни лещи, известна под каталожния номер JVAS B1938+666. Все пак той признава и алтернативните теории, според които много други фактори биха могли да допринесат за този специфичен лещовиден ефект – включително гравитационното влияние на близка елиптична (овална) галактика.

Основното предизвикателство при доказването или отхвърлянето на тази теория е, че въпросната леща е позиционирана изключително далеч в дълбокия космос и е трудно да се изолира точното събитие. В астрономията е особено сложно, защото тези явления се случват на милиарди километри от нас и е абсолютно невъзможно да бъдат възпроизведени и тествани в контролирана лабораторна среда.

3. Необичайни звездни купове

В покрайнините на нашия космически квартал съществува мистериозна планета-джудже или по-точно галактика-спътник, много по-малка от нашия Млечен път. Тя е открита от американския астроном Харлоу Шапли през 1938 г. и е известна като галактиката-джудже в съзвездието Пещ (Fornax dSph). Тази сателитна галактика е дом на шест емблематични сферични звездни купа, сред които е и изключително странният обект Fornax 6. Този специфичен звезден куп е много по-блед от очакваното и притежава силно неправилна, асиметрична форма.

Докато част от астрономите са на мнение, че гравитацията на самата галактика-домакин Форнакс просто разтегля и привлича звездите, д-р Ю насочва дискусията в нова посока. Той предполага, че скрито струпване (сгумка) от самовзаимодействаща тъмна материя действа като невидим капан, който улавя и задържа звездите в тази деформирана конфигурация. Ученият обаче предупреждава, че ще са необходими наблюдения от ново поколение обсерватории, за да се открият други подобни купове и да се даде допълнителна научна тежест на неговите изследвания.

Историята тепърва предстои

Д-р Ю и д-р Хан са единодушни, че с натрупването на нови емпирични доказателства, самовзаимодействащата тъмна материя може не само да даде отговор на тези три големи космически загадки, но и да разкрие фундаментални истини за природата на самата материя – включително за елементарните частици тук, на Земята.

Новата теория предлага елегантно решение на т.нар. „проблем за ядрата и остриета“ (Core-Cusp Problem) във физиката, показвайки как сблъсъците на тъмната материя могат да изгладят острите гравитационни върхове в центровете на галактиките до по-плоски повърхности.

„ В никакъв случай не смятам, че това изследване слага край на историята. Напротив – то е само нейното начало“, заключва оптимистично д-р Хан.