Астрофізики вперше в історії виміряли масу темної матерії

Група фізиків уперше визначила нову нижню межу маси для частинок темної матерії, припустивши, що вони є бозонами — фундаментальними частинками, які можуть перебувати в однаковому квантовому стані. Це відкриття, опубліковане в журналі Phys­i­cal Review Let­ters, значно змінює попередні уявлення про фізичну природу однієї з найбільш загадкових субстанцій у Всесвіті.

Темна матерія, за сучасними оцінками, становить приблизно 85% усієї маси у Всесвіті. Вона не випромінює світла і не взаємодіє з електромагнітним випромінюванням, однак її існування підтверджується гравітаційним впливом на видимі об’єкти, такі як галактики. Дотепер залишалося незрозумілим, з яких саме частинок вона складається, і яка їхня маса.

Нові розрахунки базуються на припущенні, що частинки темної матерії — це бозони, а не ферміони, як вважалося раніше. У такому випадку вони можуть мати однаковий квантовий стан, що дозволяє їм концентруватися у високій щільності. Вчені встановили, що їхня маса не може бути меншою ніж 2×10⁻²¹ електронвольта — це у 100 разів більше за попередні оцінки для бозонної темної матерії.

Для перевірки своєї гіпотези дослідники використали спостереження за карликовою галактикою Leo II — супутником Чумацького Шляху. Аналіз руху зірок у її межах дозволив моделювати розподіл темної матерії всередині галактики. Зіставивши ці спостереження з математичними моделями на основі квантових хвильових функцій, вчені визначили, що при надто малій масі частинок темна матерія не може утворювати потрібну щільність — через прояви квантової нечіткості.

Це обмеження пов’язане з принципом невизначеності Гейзенберга: чим легша частинка, тим важче точно визначити її розташування, і тим менше вона здатна формувати щільні скупчення. Таким чином, надто легкі частинки просто не могли б пояснити структуру галактик, яку ми спостерігаємо.

Це відкриття не тільки уточнює межі можливих властивостей темної матерії, але й допомагає вужче сфокусувати майбутні експерименти, спрямовані на її виявлення, як у наземних лабораторіях, так і в космічних спостереженнях.