Спустя 80 лет после открытия тёмной материи учёные приблизились к разгадке её природы. Новое исследование, основанное на данных карликовой галактики Leo II, определило минимально возможную массу частиц, из которых может состоять эта невидимая субстанция. Результаты не только сужают круг гипотез, но и открывают путь к принципиально новым методам изучения Вселенной.

Тёмная материя не излучает свет, но её гравитационное влияние проявляется в движении звёзд и галактик. Например, спиральные галактики вращаются с такой скоростью, что их видимой массы недостаточно для удержания звёзд на орбитах. Это и заставило учёных ввести концепцию невидимого компонента — тёмной материи. Гипотезы о её составе разделились: одни предполагают, что её частицы массивны, как атомы, другие — что они легче нейтрино. Всё зависит от типа частиц: фермионы (например, электроны) не могут находиться в одном квантовом состоянии, а бозоны (как фотоны) — способны «перекрываться», занимая одинаковое пространство.

На изображении показана волновая функция, описывающая распределение тёмной материи в карликовой галактике Leo II. График демонстрирует, как квантовые состояния частиц (в виде «размытых» облаков) соответствуют наблюдаемому распределению массы в галактике. Чем ярче область, тем выше вероятность обнаружить там частицы. Слева — смоделированная структура на основе данных о движении звёзд, справа — теоретическая волновая функция, которая удерживает галактику от распада. Источник: NASA, ESA, A. del Pino Molina (CEFCA), K. Gilbert and R. van der Marel (STScI), A. Cole (University of Tasmania)

Используя наблюдения карликовой галактики Leo II, которая почти полностью состоит из тёмной материи, учёные рассчитали пределы массы для обоих сценариев. Если это фермионы, то их масса должна превышать 120 электронвольт — иначе они «разлетелись» бы из-за квантовых запретов. Однако для бозонов ограничение иное. Здесь работает принцип неопределённости: чем точнее известна позиция частицы, тем сложнее определить её скорость. Анализ движения звёзд в Leo II (около 15 км/с) и размера галактики (9000 световых лет в диаметре) позволил вывести минимальную массу бозона — 2,2×10-21 электронвольт. Это в триллионы раз легче нейтрино.

Чтобы проверить расчёты, команда создала 5000 моделей Leo II, учитывающих распределение массы и движение звёзд. Каждую модель они сопоставили с волновыми функциями — математическими описаниями квантового состояния тёмной материи. Оказалось, что только частицы тяжелее установленного предела способны формировать наблюдаемую структуру галактики.

Ранние оценки массы бозонов опирались на сложные астрофизические процессы, например, динамику газа или температурную историю Вселенной. Новый метод, основанный на квантовой механике и кинематике звёзд, исключает эти переменные, делая результат более универсальным. В будущем подход можно адаптировать для смешанных моделей, где часть тёмной материи — сверхлёгкие бозоны, а часть — «холодная» тёмная материя (как в стандартной теории). Это позволит глубже изучить связь между астрофизикой и физикой частиц.

Прогнозы учёных осторожны, но обнадёживают: методика открывает путь к анализу данных с телескопов, таких как JWST или Rubin Observatory. Возможно, в ближайшие годы удастся не только определить массу тёмной материи, но и наконец понять, из чего состоит 85% вещества Вселенной.

Подробнее на iXBT