Российские физики создали численную симуляцию формирования локальных структур из темной материи. Данная работа применима к таким популярным моделям невидимого вещества, как аксионы и «размытая» темная материя (Fuzzy Dark Matter). Ученые пришли к выводу, что аналоги звезд из темной материи могут существовать в нашей Вселенной. Препринт с результатами опубликован на сайте arXiv.org.
Различные астрономические наблюдения не согласуются с предположением, что основная часть массы во Вселенной заключена в светящееся вещество, такое как звезды, и связанный с ним газ. На данный момент наиболее общепринятым объяснением этого расхождения является гипотеза темной материи, в рамках которой предполагается существование прозрачного для электромагнитного взаимодействия вещества, на которое приходится большая часть массы. Такое вещество должно формировать огромные оболочки — гало — вокруг галактик. Теоретиками предложено множество моделей темной материи, большинство из которых описывают ее через еще не открытые элементарные частицы с различными свойствами.
В новой работе рассматривается формирование устойчивых локальных образований из темной материи, удерживающих себя за счет самогравитации, аналогично обычным звездам. В статье предполагается, что частицы темной материи являются бозонами, а образующиеся структуры представляют собой скопления конденсата Бозе—Эйнштейна, то есть выводы справедливы для таких популярных моделей невидимого вещества, как аксионы и «размытая» темная материя.
Аксионы были предложены теоретическими физиками как решение проблемы наблюдаемого нарушения CP-инвариантности (одновременной замены всех частиц на античастицы и зеркального отражения системы в пространстве). Они должны обладать небольшой массой, слабо взаимодействовать с известными частицами и распадаться на два фотона. «Размытая» темная материя состоит из частиц чрезвычайно малой массы. Она настолько мала, что соответствующая длина волны де Бройля (масштаб, на котором проявляются квантовые свойства тела) сравним с размером галактик. В таком случае получается, что частицы «размазаны» на орбитах вокруг галактик, подобно тому, как электроны формируют облака в атомах, а не являются точечными частицами на орбитах ядер.
Авторы делают вывод, что бозонные звезды из аксионов вполне могут рождаться за время жизни Вселенной, причем их типичная масса будет весьма мала — они будут центральными объектами в минископлениях массой в 10-13 солнечных. Если они будут продолжать накапливать частицы, то могут превысить критический размер и взорваться, — такое событие является кандидатом на роль источника быстрых радиовсплесков. В случае «размытой» темной материи подобные звезды также могут образовываться за сравнительно небольшое время. Более того, при определенной массе подобных частиц, эта модель решает проблему нехватки карликовых спутников крупных галактик, таких как Млечный Путь: из численных моделей следует, что у нашей звездной системы должны быть многие десятки спутников, а наблюдается намного меньше. Если верна теория «размытой» темной материи, то карликовые гало, которые должны были стать первоначальной основой для небольших галактик, успели сконденсироваться в намного меньше звезды, не способные удержать около себя много обычного вещества.
Исследователи создали математическую модель эпилепсии