Сотрудники Института ядерных исследований РАН разработали математическую модель, которая показывает движение частиц темной материи, и увидели, что те с течением времени могут образовать сферические капли квантового конденсата. Ранее это считалось невозможным, так как не учитывались флуктуации гравитационного поля, созданного этими частицами. Работа проходила в рамках проекта, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), а ее результаты были опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Темная материя – это гипотетическая форма материи, которая не испускает никакого электромагнитного излучения, что затрудняет ее наблюдение и поиск доказательств ее существования. Ее частицы обладают небольшой скоростью, поэтому задерживаются в галактиках. Они взаимодействуют между собой настолько слабо, что чувствуется только гравитационное поле этой материи, в остальном она никак себя не проявляет. Каждая галактика предположительно окружена оболочкой (гало) из темной материи, размер и масса которой намного превышает размер самой галактики.

В ходе исследования ученые выяснили, что частицы темной материи, если это бозоны и их масса достаточно мала, за счет сил гравитации образуют конденсат Бозе–Эйнштейна в маленьких подструктурах темной материи. К таким подструктурам относятся гало карликовых галактик, систем из нескольких миллиардов звезд, связанных друг с другом силами гравитации, а также миникластеры – совсем маленькие системы, образованные только из темной материи. Конденсат Бозе–Эйнштейна – это такое состояние квантовых частиц, в котором все они занимают самый низкий энергетический уровень, то есть обладают наименьшей энергией. В лаборатории бозе-конденсат можно образовать при низких температурах из обычных атомов. Такое вещество демонстрирует уникальные свойства, такие как сверхтекучесть – способность вещества протекать через узкие щели и капилляры без трения. Легкая темная материя в галактике имеет маленькую скорость и гигантскую концентрацию. Если бы она находилась в таких же условиях, как вещество в лаборатории, то она давно образовала бы бозе-конденсат, но для этого частицы темной материи должны взаимодействовать друг с другом не только гравитационно.

«В своей работе мы симулировали на компьютере движение газа квантовых частиц легкой темной материи, которые взаимодействовали гравитационно. Мы стартовали с максимально перемешанного, вириализованного состояния, которое в определенном смысле противоположно состоянию бозе-эйнштейновского конденсата. Через очень большой промежуток времени, в 100 000 раз превышающий время пролета частиц через систему, эти частицы самостоятельно образовали конденсат, который тут же свернулся в сферическую каплю – Бозе-звезду – под действием гравитации», – рассказал один из авторов статьи Дмитрий Левков, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Института ядерных исследований РАН.

Левков вместе с коллегами – Александром Паниным и Игорем Ткачевым из Института ядерной физики РАН – рассчитали, что конденсат Бозе–Эйнштейна мог сформироваться в центрах гало карликовых галактик за время, меньшее времени жизни Вселенной. Это значит, что сейчас там могут находиться Бозе-звезды.

Авторы впервые увидели в компьютерных симуляциях образование бозе-конденсата из квантовых частиц. В численных расчетах, которые проводили другие ученые, конденсат существовал уже в начальном состоянии, и Бозе-звезды образовывались из него. Существует также предположение об образовании бозе-конденсата в ранней Вселенной задолго до образования галактик и миникластеров, но у этого предположения не хватает доказательной базы. Авторы показали, что конденсат образуется в центрах маленьких гало темной материи, а появление этого состояния в ранней Вселенной они планируют рассмотреть в своих следующих работах.

Ученые отметили, что Бозе-звезды могут быть причиной появления гигантских радиовспышек, которые пока не имеют количественного объяснения. Частицы темной материи очень слабо взаимодействуют с электромагнитным полем и могут распадаться на радиофотоны. Этот эффект исчезающе мал, но в Бозе-звезде может возникнуть усиление, как в лазере, что может привести к гигантским вспышкам радиоизлучения.