На расстоянии семи миллиардов световых лет от Земли находится необычное скопление галактик El Gordo, или «Толстяк». Оно состоит из двух областей, которые сталкиваются друг с другом, а их суммарная масса превышает два квадриллиона масс Солнца. Столь крупный объект сформировался на относительно раннем этапе существования Вселенной, что вызывает вопросы у астрономов.
Размер El Gordo трудно объяснить в рамках стандартной космологической модели, где предполагается наличие холодной тёмной материи и инфляционной Вселенной. Новое исследование рассматривает вариант, при котором частицы тёмной материи способны взаимодействовать друг с другом. Работа опубликована в The Astrophysical Journal, а её автором стал Р. Вальдарнини.
Тёмная материя составляет основную часть массы Вселенной, но почти не взаимодействует со светом. Поэтому она также слабо взаимодействует с обычным веществом, поскольку большинство взаимодействий между частицами имеет электромагнитную природу. При этом остаётся открытым вопрос, могут ли частицы тёмной материи активно воздействовать друг на друга.
Наиболее распространённая гипотеза предполагает, что тёмная материя не обладает таким свойством. Наблюдения показывают, что она в основном холодная, то есть её частицы имеют небольшую кинетическую энергию. Если бы они часто сталкивались, то сохраняли бы больше тепла, подобно обычному веществу. Самовзаимодействующая тёмная материя могла бы ускорить образование крупных скоплений, но одновременно сделала бы материю более тёплой.
Для решения этой проблемы исследователь предложил двухуровневую модель с основным и возбуждённым состояниями частиц. В большинстве случаев столкновения в ней остаются упругими, однако при достаточной энергии частица может перейти в возбуждённое состояние и потерять часть кинетической энергии. Благодаря этому тёмная материя способна одновременно охлаждаться и объединяться в плотные структуры.
Моделирование методом N-тел для сталкивающихся областей El Gordo показало, что двухуровневая модель с упругими и неупругими столкновениями лучше согласуется с наблюдениями, чем варианты без взаимодействий или только с упругими процессами. Однако точные масса скопления и скорость столкновения его частей пока остаются неопределёнными. Если El Gordo имеет значение массы из нижней части возможного диапазона, предложенная модель не объясняет данные, поэтому она остаётся вероятным, но не окончательным решением.