Несмотря на то, что модель CDM хорошо объясняет крупномасштабную структуру вселенной, на более мелких масштабах существуют некоторые расхождения между экспериментальными данными и теорией.
Данные сильного гравитационного линзирования скоплений галактик, собранные телескопом «Хаббл», позволили найти распределение вероятности для расстояния между центром масс скопления и самой яркой галактикой скопления (BCG). Оказалось, что это распределение не согласуется с принятой сейчас теорией холодной темной материи. Статья принята к публикации в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, предпринт работы выложен на сайте arXiv.org.
Теория холодной темной материи (Cold Dark Matter, CDM) является основной в современной космологии и астрофизике. Согласно этой теории, темная материя состоит из частиц, движущихся со скоростями много меньше скорости света и очень слабо взаимодействующих с обычной барионной материей. По современным представлениям темная материя составляет примерно 85 процентов от всей материи (и примерно 25 процентов от массы вселенной) и играет ключевую роль в формировании галактик и скоплений галактик.
Несмотря на то, что модель CDM хорошо объясняет крупномасштабную структуру вселенной, на более мелких масштабах существуют некоторые расхождения между экспериментальными данными и теорией. Например, наблюдения за местной группой выявили, что распределение плотности некоторых карликовых галактик не согласуется с предсказаниями CDM. В данной работе физики сообщают о еще одном таком несоответствии.
Заключается это расхождение в следующем. Естественно предположить, что в скоплении галактик самая яркая и массивная из них (brightest cluster galaxy, BCG) находится в центре (точнее, центре масс). В результате некоторых событий (например, поглощения скоплением еще одной галактики) BCG может сместиться и начать колебаться с некоторой амплитудой около положения равновесия. По стандартной теории CDM эти колебания должны быстро затухать. В действительности это оказывается не всегда так.
Чтобы проверить предположение о быстром затухании колебаний, физики смоделировали их с помощью стандартного программного обеспечения для космологических гидродинамических симуляций BAHAMAS в предположении теории CDM и нашли распределение вероятности для расстояния между центром масс скопления и BCG. В самом деле, эти расчеты установили верхнюю границу на амплитуду колебаний самой яркой галактики, равную двум килопарсекам.
Затем ученые выяснили, на каком отдалении находятся центры масс обычной и темной материи в реальных скоплениях галактик. Для этого они использовали эффект сильного гравитационного линзирования — явления, при котором свет от объектов, находящихся за скоплением, искажается так сильно, что мы видим сразу несколько его изображений. С помощью численного моделирования они проверили пять сценариев, в которых амплитуда колебаний BCG составляла от нуля до двадцати килопарсек, и посмотрели, как в них искажается свет. Затем ученые сравнили результаты расчетов с данными десяти подтвержденных примеров сильного линзирования, собранными телескопом «Хаббл», и построили реальное распределение вероятности для расстояния между центром масс скопления и BCG. Оказалось, что определенная таким образом амплитуда колебаний составляет около 12 килопарсек, что намного больше результата, полученного с помощью расчетов в предположении стандартной теории CDM.
Авторы статьи надеются, что в дальнейшем более точные наблюдения за скоплениями галактик позволят лучше изучить колебания BCG и, возможно, понять, как себя в действительности ведет темная материя. Возможно, они подтвердят теорию теплой темной материи или взаимодействующей самой с собой темной материи.