Темная материя может течь подобно космической сверхтекучей жидкости, образуя вихревые линии внутри галактик
Согласно новому исследованию, тёмная материя, составляющая около 85% всей материи во Вселенной, может вести себя не как традиционно представляемый «холодный» и не взаимодействующий газ частиц, а как космическая сверхтекучая жидкость. Такая модель предполагает формирование внутри галактик стабильных вращающихся структур и вихревых линий. Если эта теория получит подтверждение, она может коренным образом изменить научные представления о скрытой архитектуре космоса, от сердечников галактик до обширных космических структур, соединяющих их.
Исследование проводит неожиданные параллели между квантовым миром конденсатов Бозе-Эйнштейна, создаваемых в земных лабораториях, и космическими масштабами тёмной материи. Для решения загадки, связанной с несоответствием стандартной модели «холодной тёмной материи» наблюдениям на малых масштабах, учёные обратились к моделям, предполагающим существование ультралёгких аксионоподобных частиц. Эти частицы настолько легки, что ведут себя как волны, а их движение описывается уравнением Шрёдингера.
Когда такие частицы обладают отталкивающим самовзаимодействием, их коллективное поведение начинает напоминать квантовую сверхтекучую жидкость, которая подчиняется нелинейному уравнению Гросса-Питаевского. В таких сверхтекучих системах вращение проявляется особым образом: вместо плавного вращения жидкость остаётся безвихревой, а её кручение возможно только благодаря образованию квантованных вихрей — микроскопических областей, похожих на водовороты.
Чтобы проверить, могут ли подобные вихри существовать в тёмной материи, исследователи провели серию аналитических расчётов и детальных численных моделирований вращающихся гало тёмной материи. Моделирование начиналось со сферических гало, которым сообщался небольшой начальный угловой момент, приводящий к медленному космическому вращению. Система эволюционировала в соответствии с уравнением Гросса-Питаевского, которое включает в себя гравитацию и силы отталкивающего взаимодействия между частицами.
В течение всего нескольких динамических времен система претерпела сложную трансформацию. В гало сформировался вращающийся солитон — плотное, стабильное ядро, вращавшееся как твёрдое тело. Это вращение обеспечивалось не простым квантово-механическим спином всей волновой функции, а возникало благодаря сети вихревых линий, пронизывающих гало. Эти линии, космические аналоги водоворотов, выстраивались в направлении общего вращения гало. В экваториальной плоскости они образовывали регулярную решётку, создавая эффект плавного вращения твёрдого тела. Общая структура гало напоминала сплюснутый сфероид и оставалась динамически стабильной.
Исследователи предполагают, что эти вихревые линии могут действовать как «квантовые леса» внутри гало тёмной материи и даже, возможно, простираться между соседними гало, формируя основу вращающихся космических нитей. Если тёмная материя действительно является сверхтекучей средой с квантованными вихрями, это может революционизировать космологию и физику частиц. Такая модель естественным образом объясняет, почему галактики имеют гладкие и плоские ядра вместо предсказываемых стандартной моделью резких пиков плотности в центре, а также может предсказывать уникальные гравитационные следствия.
Полученные результаты создают неожиданный мост между квантовой физикой и космологией. Уравнения, описывающие холодные атомы в лабораторных экспериментах, могут управлять поведением невидимой материи, формирующей галактики за миллиарды световых лет от нас. Однако это лишь начало работы. Текущее исследование в основном фокусировалось на упрощённых моделях вращающихся гало и использовало нерелятивистские симуляции. В дальнейшем учёные планируют расширить анализ до полностью трёхмерных систем, где вихревые линии могут превращаться в вихревые кольца, и изучить, как эти структуры взаимодействуют и эволюционируют.