Сила гравитации во Вселенной – под действием которой она эволюционировала из почти однородного состояния, наблюдаемого в ходе Большого взрыва, до современного состояния, когда материя сконцентрирована в форме галактик, звезд и планет – связана с таинственной субстанцией, называемой «темной материей». Но несмотря на огромную роль, которую играет этот дополнительный материал, мы почти ничего не знаем о его природе, поведении и составе, и это является одной из основных проблем современной физики. В новой статье исследователи во главе с Хорхе Санчесом Алмейдой (Jorge Sánchez Almeida) из Канарского института астрофизики, расположенного на острове Пальма Канарского архипелага, показывают, что темная материя в составе галактик следует принципу распределения, основанному на стремлении к максимальной энтропии, и это проливает свет на природу темной материи.

Темная материя составляет около 85 процентов от общей массы материи Вселенной, однако ввиду слабого взаимодействия между частицами ее присутствие выявляется только на астрономических масштабах. Согласно Санчесу Алмейде, распределение темной материи следует принципу максимальной энтропии (что эквивалентно «максимальному беспорядку», или «термодинамическому равновесию»), то есть темная материя пребывает в своем наиболее вероятном состоянии. Для достижения этого «максимального беспорядка», в котором состояние темной материи характеризуется уравнением, связывающим температуру, давление и плотность и напоминающим уравнение состояния газа, частицы темной материи должны эффективно сталкиваться друг с другом. Однако механизм достижения темной материей этого равновесного состояния до сих пор остается загадкой. Согласно авторам статьи, если бы частицы темной материи эффективно сталкивались друг с другом, это бы рассказало очень многое о природе темной материи и позволило бы частично разрешить проблему ее происхождения.

Максимум энтропии темной материи был обнаружен в карликовых галактиках, имеющих повышенное отношение количества темной материи к общему количеству материи, по сравнению с более массивными галактиками, поэтому в таких галактиках легче рассмотреть влияние изучаемого принципа, отмечает Санчес Алмейда. Однако ученые ожидают, что такое поведение является общим для темной материи в составе любой галактики.

Как показывают авторы работы, распределение темной материи в состоянии термодинамического равновесия характеризуется пониженной плотностью центральных областей, что имеет большое значение для практической астрономии при интерпретации результатов гравитационного линзирования или создании экспериментов по обнаружению темной материи в результате ее самоаннигиляции.

Исследование опубликовано в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.