Возможная проблема для холодной и тёплой тёмной материи

Космическая загадка, скрытая на виду

Большая часть материи во Вселенной невидима. Она не светится, не поглощает и не отражает свет, но её гравитация формирует галактики и скопления галактик. Эта статья рассказывает о крошечном, но чрезвычайно плотном сгустке «тёмной материи», обнаруженном лишь потому, что он исказил тонкую дугу радиосвета от далёкой галактики. Воспользовавшись этой природной увеличительной линзой, авторы исследуют одну из наименьших тёмных структур, когда-либо наблюдавшихся, и приходят к выводу, что её свойства трудно согласуются с нашей стандартной картиной тёмной материи.

Видеть невидимое с помощью искривлённого света

Когда массивная галактика оказывается точно между нами и более удалённым источником, её гравитация искривляет задний свет в растянутые дуги и кольца — явление, известное как гравитационное линзирование. В системе, изученной здесь, массивная эллиптическая галактика примерно на полпути к далёкому радиоисточнику даёт почти полное кольцо ближней инфракрасной эмиссии и, на радиоволнах, исключительно тонкую дугу. Предыдущие работы уже обнаружили тёмный сгусток массой порядка ста миллионов масс Солнца рядом с этим кольцом. Недавно сверхчёткие радионаблюдения выявили второе, гораздо более слабое возмущение в тонкой дуге, указывающее на ещё один, гораздо менее массивный объект без видимых звёзд. Новая работа сосредоточена на этом втором возмущающем объекте и задаёт простой вопрос: что это может быть?

Проверяя всех знакомых подозреваемых

Чтобы ответить, команда построила подробные компьютерные модели, которые напрямую подгоняли радиоданные в их исходной форме, рассматривая 23 разных варианта массы и структуры скрытого объекта. Они пробовали формы, описывающие обычные звёздные скопления, компактные карликовые галактики и тёмные сгустки, предсказанные стандартной моделью холодной тёмной материи и её тёплой разновидностью. Также они допускали, что объект может находиться либо в основной линзовой галактике, либо где угодно вдоль луча зрения. Используя строгую статистическую проверку, они выясняли, какие из этих кандидатов способны воспроизвести тонкую «волнистость», которую объект оставляет на тонкой радиодуге.

Объект, не похожий ни на что известное

Лучшее объяснение поражает. Данные склоняются в пользу объекта, состоящего из двух компонентов: неразрешимой центральной массы, вероятно не превышающей около десяти световых лет в размерах и содержащей примерно пятую часть общей массы, и расширенной окружающей области с почти постоянной поверхностной плотностью на расстояниях до ≈450 световых лет, за которыми плотность резко падает. Эта комбинация ведёт себя отчасти как массивная чёрная дыра или плотное звёздное ядро, встроенное в диск с плоским профилем плотности. Модели, рассматривающие объект как одиночную чёрную дыру, обычное шаровое звёздное скопление или стандартный сгусток тёмной материи, значительно хуже описывают данные. Даже когда авторы принуждали модели следовать стандартным предсказаниям для холодной или тёплой тёмной материи, получающиеся структуры были слишком далеки от того, что требуют наблюдения линзирования.

Намёки на новое поведение тёмной материи

Поскольку объект тусклый или полностью тёмный на глубинных ближнеинфракрасных снимках, чисто звёздное объяснение, например известный класс компактных галактик, остаётся возможным, но из одних лишь данных линзирования оно не сильно предпочтительно. Если же объект доминируется тёмной материей, его плотное ядро и резкая внешняя граница представляют проблему для обычной картины, в которой частицы тёмной материи почти не взаимодействуют друг с другом, кроме гравитации. Авторы показывают, что такая экстремальная структура могла бы естественно возникнуть, если частицы тёмной материи время от времени сталкиваются между собой, позволяя внутренней части маленького гало коллапсировать и потенциально сформировать центральную чёрную дыру. В этой «самовзаимодействующей» модели даже очень мелкие гало могли бы содержать массивные тёмные моторы без опоры на сложные процессы, формирующие обычные галактики.

Почему этот крошечный сгусток важен

Это лишь третий случай, когда такой низкомассовый тёмный объект был индивидуально картирован с помощью гравитационной «имиджинга», и, как и в предыдущих случаях, он не вписывается аккуратно в ожидания стандартных моделей холодной или тёплой тёмной материи. Если будущие наблюдения подтвердят, что эти возмущители действительно доминируются тёмной материей, а не звёздами, это будет сильным свидетельством того, что тёмная материя не полностью бесстолкновенна. Это заставит космологов пересмотреть одно из центральных предположений современной модели космической структуры, используя редкие, но показательные системы вроде этой тонкой дуги и её скрытого компаньона как лаборатории для новой физики.

Цитирование: Vegetti, S., White, S.D.M., McKean, J.P. et al. A possible challenge for cold and warm dark matter. Nat Astron 10, 440–447 (2026). https://doi.org/10.1038/s41550-025-02746-w

Ключевые слова: тёмная материя, гравитационное линзирование, самовзаимодействующая тёмная материя, галактические гало, радиоастрономия