Что, если в центрах галактик располагаются ядра из тёмной материи?

Большинство экспертов уверено, что тёмная материя существует и состоит из неизвестных науке частиц. Но из каких именно?

Одним из возможных кандидатов являются гипотетические аксионы, изначально придуманные, чтобы объяснить некоторые особенности взаимодействия разных частиц. Оказалось, что они хорошо подходят на роль тёмной материи, если, конечно, действительно существуют.

Проблема в том, что масса аксиона неизвестна. Есть очень широкий диапазон, в который она может попадать. Поэтому физики вынуждены методично прочёсывать это "пространство возможностей", используя большие и более скромные детекторы аксионов.

Пока результаты работы этих устройств можно описать так. Физики убедились, что аксионов с такой, сякой и вот этакой массой точно нет, потому что они наверняка были бы обнаружены. Но непроверенных вариантов всё ещё предостаточно.

Есть и альтернативный путь: найти астрофизические явления, указывающие на существование аксионов (или по крайней мере на то, что их масса больше/меньше определённого значения). В этом направлении работа тоже ведётся.

Так, по данным некоторых расчётов, аксионы должны скапливаться в центрах галактик и образовывать плотные ядра. Иногда настолько плотные, что астроном-наблюдатель будет принимать их за сверхмассивные чёрные дыры.

Напомним, что в центрах многих галактик действительно находятся компактные тяжёлые объекты, и общепринятая точка зрения состоит в том, что это именно чёрные дыры. Эту гипотезу подтверждают, например, тщательные наблюдения за движением обращающегося вокруг них вещества, а с недавних пор ещё и первое прямое изображение чёрной дыры.

Но что, если по крайней мере у части галактик "сердце" представляет собой не чёрную дыру, а скопление аксионов? Что в этом случае астрономические наблюдения говорят нам о свойствах этих частиц?

Они взяли из работ предшественников данные о шести галактиках: M33, NGC 300, NGC 3423, NGC 4395, NGC 7424 и NGC 7793. В частности, астрономов интересовала масса центрального объекта (который обычно считают чёрной дырой). У этих звёздных систем она колеблется от полутора тысяч до 80 тысяч солнц. Также исследователи рассмотрели скорость вращения каждой галактики и радиус центрального звёздного скопления (nuclear star cluster).

Астрофизиков интересовало, можно ли эти данные совместить с гипотезой о том, что центральный объект каждой из этих галактик – аксионное ядро, и если да, то какую массу может при этом иметь аксион. Для этого авторы использовали соотношение между массой такого ядра и всей остальной тёмной материи в галактике, которое можно получить при помощи компьютерного моделирования.

В научной статье, препринт которой опубликован на сайте arXiv.org, исследователи сообщают результаты. По их расчётам, все шесть галактик могут иметь аксионные ядра, но лишь в том случае, если масса аксиона составляет не менее 10-18 электрон-вольт (напомним, что физики любят измерять массу частиц в единицах энергии, пользуясь знаменитой формулой E = mc2).

Не то чтобы эта величина была так уж велика. Например, масса электрона – почти миллиард электрон-вольт. Аксионы, как видим, остаются в статусе сверхлёгких частиц.

Конечно, пока нет никаких доказательств того, что именно рассмотренные галактики скрывают в своих ядрах скопление аксионов, а не чёрные дыры. Однако подобные ограничения на массу могут послужить, по крайней мере, дополнительным ориентиром для физиков, ищущих эти таинственные частицы с помощью детекторов.