Сотрудники Института ядерных исследований РАН разработали математическую модель, которая показывает движение частиц темной материи, и увидели, что те с течением времени могут образовать сферические капли квантового конденсата. Ранее это считалось невозможным, так как не учитывались флуктуации гравитационного поля, созданного этими частицами. Работа проходила в рамках проекта, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), а ее результаты были опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Темная материя — это гипотетическая форма материи, которая не испускает никакого электромагнитного излучения, что затрудняет ее наблюдение и поиск доказательств ее существования. Ее частицы обладают небольшой скоростью, поэтому задерживаются в галактиках. Они взаимодействуют между собой настолько слабо, что чувствуется только гравитационное поле этой материи, в остальном она никак себя не проявляет. Каждая галактика предположительно окружена оболочкой (гало) из темной материи, размер и масса которой намного превышает размер самой галактики.

Большинство космологов предполагает, что частицы темной материи имеют большую массу, что объясняет их скорость. Но еще в 1980-е годы была предложена космологическая теория, согласно которой в юной Вселенной частицы темной материи двигались по-чти c нулевой скоростью независимо от их массы. Это означает, что частицы темной материи могут быть очень легкими. Как следствие, расстояния, на которых проявляется квантовая природа этих частиц, могут быть очень большими. Вместо нанометровых размеров, которые обычно требуются для наблюдения квантовых явлений в лабораториях, для таких сверхлегких частиц размер «квантовости» может быть сравним даже с размером центральной области нашей Галактики. Авторы работы как раз занимаются изучением квантовых эффектов, связанных с легкой темной материей.

В ходе исследования ученые выяснили, что частицы темной материи, если это бозоны и их масса достаточно мала, за счет сил гравитации образуют конденсат Бозе–Эйнштейна в маленьких подструктурах темной материи. К таким подструктурам относятся гало карликовых галактик, систем из нескольких миллиардов звезд, связанных друг с другом сила-ми гравитации, а также миникластеры — совсем маленькие системы, образованные только из темной материи. Конденсат Бозе–Эйнштейна — это такое состояние квантовых частиц, в котором все они занимают самый низкий энергетический уровень, то есть обладают наименьшей энергией. В лаборатории бозе-конденсат можно образовать при низких температурах из обычных атомов. Такое вещество демонстрирует уникальные свойства, такие как сверхтекучесть — способность вещества протекать через узкие щели и капилляры без трения. Легкая темная материя в галактике имеет маленькую скорость и гигантскую концентрацию. Если бы она находилась в таких же условиях, как вещество в лаборатории, то она давно образовала бы бозе-конденсат, но для этого частицы темной материи должны взаимодействовать друг с другом не только гравитационно.

«В своей работе мы симулировали на компьютере движение газа квантовых частиц лег-кой темной материи, которые взаимодействовали гравитационно. Мы стартовали с максимально перемешанного, вириализованного состояния, которое в определенном смысле противоположно состоянию бозе-эйнштейновского конденсата. Через очень большой промежуток времени, в 100 000 раз превышающий время пролета частиц через систему, эти частицы самостоятельно образовали конденсат, который тут же свернулся в сферическую каплю — Бозе-звезду — под действием гравитации», — рассказал один из авторов статьи Дмитрий Левков, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Института ядерных исследований РАН.

Картинка: эволюция темной материи в ящике. Лево...

Картинка: эволюция темной материи в ящике. Левое изображение — начальный момент времени, когда газ перемешан, правое изображение — момент времени вскоре после обра-зования Бозе-звезды. Цвет показывает плотность: белый — синий — зеленый — желтый, от меньшей плотности к большей. Источник: Дмитрий Левков.

Левков вместе с коллегами — Александром Паниным и Игорем Ткачевым из Института ядерной физики РАН — рассчитали, что конденсат Бозе–Эйнштейна мог сформироваться в центрах гало карликовых галактик за время, меньшее времени жизни Вселенной. Это значит, что сейчас там могут находиться Бозе-звезды.

Авторы впервые увидели в компьютерных симуляциях образование бозе-конденсата из квантовых частиц. В численных расчетах, которые проводили другие ученые, конденсат существовал уже в начальном состоянии, и Бозе-звезды образовывались из него. Существует также предположение об образовании бозе-конденсата в ранней Вселенной задолго до образования галактик и миникластеров, но у этого предположения не хватает доказательной базы. Авторы показали, что конденсат образуется в центрах маленьких гало темной материи, а появление этого состояния в ранней Вселенной они планируют рас-смотреть в своих следующих работах.

Ученые отметили, что Бозе-звезды могут быть причиной появления гигантских радио-вспышек, которые пока не имеют количественного объяснения. Частицы темной материи очень слабо взаимодействуют с электромагнитным полем и могут распадаться на радио-фотоны. Этот эффект исчезающе мал, но в Бозе-звезде может возникнуть усиление, как в лазере, что может привести к гигантским вспышкам радиоизлучения.

«Следующим очевидным шагом станет предсказание количества Бозе-звезд во Вселенной и вычисление их массы в моделях с легкой темной материей», — заключил ученый.