Od czasu „złotego wieku ogólnej teorii względności” w latach sześćdziesiątych naukowcy utrzymywali, że znaczna część Wszechświata składa się z tajemniczej niewidzialnej masy znanej jako „ciemna materia”. Od tego czasu naukowcy próbowali rozwiązać tę tajemnicę, stosując podwójne podejście. Z jednej strony astrofizycy próbowali znaleźć cząstkę kandydującą, która mogłaby wyjaśnić tę masę.
Z drugiej strony astrofizycy próbowali znaleźć teoretyczne podstawy, które mogłyby wyjaśnić zachowanie Ciemnej Materii. Do tej pory debata koncentrowała się na pytaniu, czy jest „gorąca” czy „zimna”, przy czym zimno cieszy się przewagą ze względu na jej względną prostotę. Jednak nowe badanie przeprowadzone przez Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA)
Zostało to oparte na kosmologicznych symulacjach formowania się galaktyk z wykorzystaniem modelu Wszechświata, który obejmował interaktywną Ciemną Materię. Symulacje zostały przeprowadzone przez międzynarodowy zespół naukowców z CfA, MIT Kavli Institute for Astrophysics and Space Research, Leibniz Institute for Astrophysics Potsdam i wielu uniwersytetów. Badanie pojawiło się niedawno w Miesięczne zawiadomienia Royal Astronomical Society.
Jeśli chodzi o to, Dark Matter jest odpowiednio nazwany. Po pierwsze, stanowi około 84% masy Wszechświata, ale ani nie emituje, nie pochłania ani nie odbija światła ani żadnej innej znanej formy promieniowania. Po drugie, nie ma ładunku elektromagnetycznego i nie wchodzi w interakcje z inną materią poza grawitacją, najsłabszą z czterech podstawowych sił.
Po trzecie, nie składa się z atomów ani ich zwykłych elementów budulcowych (tj. Elektronów, protonów i neutronów), co przyczynia się do jego tajemniczej natury. W rezultacie naukowcy teoretyzują, że musi składać się z nowego rodzaju materii, która jest zgodna z prawami Wszechświata, ale nie pojawia się w konwencjonalnych badaniach fizyki cząstek.
Niezależnie od swojej prawdziwej natury, Ciemna Materia miała głęboki wpływ na ewolucję kosmosu od około 1 miliarda lat po Wielkim Wybuchu. W rzeczywistości uważa się, że odegrał kluczową rolę we wszystkim, od tworzenia galaktyk po dystrybucję promieniowania kosmicznego mikrofalowego tła (CMB).
Co więcej, modele kosmologiczne uwzględniające rolę Ciemnej Materii są poparte obserwacjami tych dwóch bardzo różnych typów struktur kosmicznych. Są one również zgodne z parametrami kosmicznymi, takimi jak tempo rozszerzania się Wszechświata, na który sam ma wpływ tajemnicza, niewidzialna siła (znana jako „Ciemna Energia”).
Obecnie najbardziej powszechnie akceptowane modele Ciemnej Materii zakładają, że nie wchodzi ona w interakcje z innymi rodzajami materii lub promieniowaniem (w tym samym sobą) poza wpływem grawitacji - tj. Że jest „zimna”. Jest to tak zwany scenariusz Cold Dark Matter (CDM), który często łączy się z teorią Ciemnej Energii (reprezentowaną przez Lambdę) w postaci modelu kosmologicznego LCDM.
Ta teoretyczna forma Ciemnej Materii jest również nazywana
„[CDM] to najlepiej przetestowany i preferowany model. Wynika to przede wszystkim z tego, że przez ostatnie cztery dekady ludzie ciężko pracowali, aby przewidywać przy użyciu zimnej Ciemnej Materii jako standardowego paradygmatu - są one następnie porównywane z prawdziwymi danymi - z odkryciem, że ogólnie ten model jest w stanie odtwarzają szeroki zakres obserwowanych zjawisk w szerokim zakresie skal. ”
Jak to opisuje, scenariusz zimnej Ciemnej Materii stał się liderem po przeprowadzeniu numerycznych symulacji ewolucji kosmicznej przy użyciu „gorącej Ciemnej Materii” - w tym przypadku neutrina. Są to cząsteczki subatomowe, które są bardzo podobne do
Te symulacje pokazały, że przewidywane rozkłady nie wyglądały tak jak dzisiaj Wszechświat - dodał Bose. „Z tego powodu zaczęto brać pod uwagę przeciwną granicę, cząstki, które w momencie narodzin mają ledwie jakąkolwiek prędkość (alias.„ Zimny ”). Symulacje, które obejmowały tego kandydata, znacznie bardziej pasują do współczesnych obserwacji Wszechświata.
„Po przeprowadzeniu takich samych testów skupień galaktyk, jak poprzednio, astronomowie znaleźli zaskakującą zgodność między symulowanymi i obserwowanymi wszechświatami. W następnych dziesięcioleciach zimna cząsteczka była testowana za pomocą bardziej rygorystycznych, nietrywialnych testów niż zwykłe gromadowanie galaktyk, i ogólnie przeszła każdą z nich z latającymi kolorami. ”
Innym źródłem odwołania jest fakt, że zimna Ciemna Materia (przynajmniej teoretycznie) powinna być wykrywalna bezpośrednio lub pośrednio. Jednak w tym przypadku CDM ma kłopoty, ponieważ jak dotąd wszystkie próby wykrycia pojedynczej cząstki zakończyły się niepowodzeniem. W związku z tym kosmolodzy wzięli pod uwagę innych potencjalnych kandydatów, którzy mieliby jeszcze mniejsze poziomy interakcji z inną materią.
Właśnie to Sownak Bose, astronom z CfA, starał się ustalić ze swoim zespołem naukowców. Ze względu na swoje badania skupili się na „ciepłym” kandydacie do Ciemnej Materii. Ten rodzaj cząstek miałby zdolność subtelnego oddziaływania z bardzo lekkimi cząsteczkami, które poruszają się z prędkością zbliżoną do prędkości światła, choć mniejszą niż bardziej interaktywna odmiana „gorąca”.
W szczególności może być zdolny do interakcji z neutrinami, byłymi liderami scenariusza HDM. Uważa się, że neutrina były bardzo rozpowszechnione podczas gorącego wczesnego Wszechświata, więc obecność interakcji Ciemnej Materii miałaby silny wpływ.
„W tej klasie modeli cząsteczki ciemnej materii mogą mieć skończoną (ale słabą) interakcję z promieniującymi gatunkami, takimi jak fotony lub neutrina”, powiedział dr Bose. „To sprzężenie pozostawia raczej niepowtarzalny ślad we„ bryle ”Wszechświata we wczesnych czasach, co jest zupełnie inne niż można by się spodziewać, gdyby Ciemna Materia była zimną cząsteczką.
Aby to przetestować, zespół przeprowadził najnowocześniejsze symulacje kosmologiczne w superkomputerach na Harvardzie i Uniwersytecie Islandii. W tych symulacjach uwzględniono wpływ, jaki na galaktykę miałaby obecność zarówno ciepłej, jak i ciemnej materii, od około 1 miliarda po Wielkim Wybuchu do 14 miliardów lat (w przybliżeniu obecnie). Powiedział dr Bose wskazał:
„Przeprowadziliśmy symulacje komputerowe w celu wygenerowania realizacji tego, jak ten wszechświat mógłby wyglądać po 14 miliardach lat ewolucji. Oprócz modelowania komponentu Ciemnej Materii uwzględniliśmy również najnowocześniejsze recepty na powstawanie gwiazd, efekty supernowych i czarnych dziur, tworzenie metali itp.”
Następnie zespół porównał wyniki, aby zidentyfikować charakterystyczne podpisy, które odróżniałyby je od siebie. Odkryli, że dla wielu symulacji efekty tej interaktywnej Ciemnej Materii były zbyt małe, aby były zauważalne. Były one jednak obecne na różne sposoby, szczególnie w sposób, w jaki odległe galaktyki są rozmieszczone w przestrzeni kosmicznej.
Ta obserwacja jest szczególnie interesująca, ponieważ można ją przetestować w przyszłości za pomocą instrumentów nowej generacji. „Sposobem na to jest odwzorowanie bryły Wszechświata we wczesnych okresach poprzez przyjrzenie się rozkładowi wodoru” - wyjaśnił dr Bose. „Obserwacyjnie jest to dobrze ugruntowana technika: możemy badać obojętny wodór we wczesnym wszechświecie, patrząc na widma odległych galaktyk (zwykle kwazarów)”.
Krótko mówiąc, światło docierające do nas z odległych galaktyk musi przejść przez ośrodek międzygalaktyczny. Jeśli w ośrodku pośredniczącym znajduje się dużo obojętnego wodoru, linie emisji z galaktyki zostaną częściowo wchłonięte, podczas gdy będzie ich niewiele, jeśli będzie ich niewiele. Jeśli Ciemna Materia jest naprawdę zimna, pojawi się w postaci znacznie bardziej „zbrylonej” dystrybucji wodoru, podczas gdy scenariusz WDM spowoduje oscylujące grudki.
Obecnie instrumenty astronomiczne nie mają rozdzielczości niezbędnej do pomiaru oscylacji gazu wodorowego we wczesnym Wszechświecie. Ale, jak wskazał dr Bose, badania te mogą dać impuls nowym eksperymentom i nowym obiektom, które byłyby w stanie dokonać tych obserwacji.
Na przykład instrument IR, taki jak Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST) można wykorzystać do tworzenia nowych map rozkładu absorpcji wodoru. Mapy te mogłyby potwierdzić wpływ interaktywnej Ciemnej Materii lub wykluczyć ją jako kandydata. Mamy również nadzieję, że badania te zainspirują ludzi do myślenia o kandydatach wykraczających poza te, które zostały już uwzględnione.
W końcu, jak powiedział dr Bose, prawdziwa wartość wynika z faktu, że tego rodzaju prognozy teoretyczne mogą pobudzić obserwacje do nowych granic i przetestować granice tego, co według nas wiemy. „I to wszystko, czym tak naprawdę jest nauka” - dodał - „przewidując, proponując metodę jej testowania, przeprowadzając eksperyment, a następnie ograniczając / wykluczając teorię!”
