Природа тёмной материи остаётся одной из величайших загадок в космологии. В рамках стандартной модели не сталкивающейся холодной тёмной материи (CDM) рассматриваются различные модели: WIMP (слабо взаимодействующие массивные частицы с массой около 100 ГэВ/c$^2$), первичные чёрные дыры и ультралёгкие аксион-подобные частицы (масса от 10$^{-22}$ до 1 эВ/c$^2$). В последнем случае тёмная материя ведёт себя как волна, описываемая уравнением Шрёдингера, а не как совокупность точечных частиц. Это порождает специфическое поведение на малых масштабах, в то время как на больших масштабах сохраняется стандартная динамика (CDM).
Исследование моделей ультралёгкой холодной тёмной материи
Филипп Бракс и Патрик Валажес, исследователи из Института теоретической физики, изучили модели ультралёгкой холодной тёмной материи с отталкивающим самодействием. Их динамика описывается нелинейным вариантом уравнения Шрёдингера, известным как уравнение Гросса — Питаевского, которое также встречается в физике сверхтекучих жидкостей и конденсата Бозе — Эйнштейна.
В своей работе авторы проследили за формированием и динамикой особых структур, называемых «вихрями» (водоворотами) и «солитонами» (ядрами в гидростатическом равновесии), в гало вращающейся ультралёгкой тёмной материи.
Публикации
Статьи опубликованы в журнале Physical Review D.
Уравнения для описания ядер тёмной материи
Как и в случае со сверхтекучей жидкостью, изучаемой в лаборатории, в этих моделях ядра тёмной материи описываются уравнениями «безвихревой» жидкости. Система может поддерживать общее вращение только через появление сингулярностей, то есть «вихрей» (водоворотов).
Результаты исследования
Комбинируя аналитические и численные подходы, авторы показывают, что вращающиеся гало тёмной материи действительно порождают такие вихри, которые далее организуются в устойчивую вращающуюся сеть в ядре гало. Эти вихри имеют квантованный угловой момент, зависящий от массы частицы тёмной материи. Из-за центробежной силы «солитон» (ядро тёмной материи) приобретает осесимметричную, уплощённую форму.
Возможные последствия
Если эти вихри действительно существуют, они могут предложить новый способ обнаружения ультралёгкой тёмной материи. Например, путём анализа гравитационных сигнатур, которые они оставляют в галактиках. Также было бы интересно изучить возможную связь между этими «вихревыми линиями» и нитями космической паутины.
Таким образом, вихри, аналогичные тем, что наблюдаются в лаборатории в квантовой физике сверхтекучих жидкостей, могут существовать в гало тёмной материи на астрофизических или галактических масштабах.
Предоставлено
CEA Paris-Saclay