Od "Zlatnog doba opće relativnosti" u šezdesetim, znanstvenici drže da se velik dio Svemira sastoji od misteriozne nevidljive mase poznate kao "Mračna materija". Od tada znanstvenici pokušavaju riješiti ovu misteriju dvostrukim pristupom. S jedne strane, astrofizičari su pokušali pronaći česticu kandidata koja bi mogla objasniti ovu masu.
S druge strane, astrofizičari su pokušali pronaći teoretsku osnovu koja bi mogla objasniti ponašanje Dark Mattera. Do sada je rasprava bila usredotočena na pitanje je li "vruće" ili "hladno", dok hladnoća uživa na ivici zbog svoje relativne jednostavnosti. No, novo istraživanje provedeno na Harvard-Smithsonian Centru za astrofiziku (CfA)
To se temeljilo na kosmološkim simulacijama formiranja galaksija korištenjem modela svemira koji je uključivao interaktivnu Mračnu materiju. Simulacije je proveo međunarodni tim istraživača s CfA-e, Instituta za astrofiziku i svemirska istraživanja na MIT-u, Instituta za astrofiziku Leibniz u Potsdamu i više sveučilišta. Studija se nedavno pojavila u Mjesečne obavijesti Kraljevskog astronomskog društva.
Kad se dođe odmah do njega, Dark Matter je prikladno imenovan. Za početak, ona čini oko 84% mase svemira, ali niti emitira, apsorbira ili odbija svjetlost ili bilo koji drugi poznati oblik zračenja. Drugo, ono nema elektromagnetski naboj i ne djeluje na druge materije osim putem gravitacije, najslabije od četiri temeljne sile.
Treće, nije sastavljen od atoma ili njihovih uobičajenih gradivnih blokova (tj. Elektrona, protona i neutrona), što doprinosi njegovoj tajanstvenoj prirodi. Kao rezultat toga, znanstvenici teoretiziraju da se mora sastojati od neke nove vrste tvari koja je u skladu sa zakonima svemira, ali koja se ne pojavljuje u konvencionalnim istraživanjima fizike čestica.
Bez obzira na njegovu pravu prirodu, Dark Matter je imao snažan utjecaj na evoluciju kosmosa još od oko milijardu godina nakon Velikog praska. Zapravo se vjeruje da je igrao ključnu ulogu u svemu, od formiranja galaksija do distribucije zračenja Kozmičke mikrovalne pozadine (CMB).
Štoviše, kosmološki modeli koji uzimaju u obzir ulogu koju igra Dark Matter potkrijepljeni su promatranjima ove dvije vrlo različite vrste kozmičkih struktura. Također su u skladu s kozmičkim parametrima poput brzine kojom se Svemir širi, a na koju sam utječe tajanstvena, nevidljiva sila (poznata kao "Tamna energija").
Trenutno, najčešće prihvaćeni modeli Dark Matter-a pretpostavljaju da on ne djeluje s bilo kojom drugom vrstom materije ili zračenja (uključujući sebe) izvan utjecaja gravitacije - tj. Da je „hladno“. To je ono što je poznato pod nazivom Hladna tamna materija (CDM), koji se često kombinira s teorijom tamne energije (koju predstavlja Lambda) u obliku kozmološkog modela LCDM.
Ovaj teorijski oblik Mračne materije također se naziva
"[CDM] je najbolje ispitani i preferirani model. To je prije svega zbog toga što su ljudi u posljednja četiri desetljeća ili na taj način naporno radili na predviđanju koristeći hladnu Mračnu materiju kao standardnu paradigmu - to su zatim u usporedbi s stvarnim podacima - s otkrićem da je ovaj model općenito sposoban reproducirati širok raspon opaženih pojava u širokom rasponu ljestvica. "
Kako je to opisao, scenarij hladne tamne materije postao je glavni pokretač nakon što su numeričke simulacije kozmičke evolucije provodile pomoću "vruće tamne materije" - u ovom slučaju neutrino. To su subatomske čestice vrlo slične anu
Te su simulacije pokazale da predviđene distribucije ne izgledaju nimalo kao danas Svemir “, dodao je Bose. "Iz tog razloga, počela se smatrati suprotna granica, čestice koje imaju jedva brzinu kada se rode (aka." Hladno "). Simulacije koje su uključivale ovog kandidata mnogo su bliže modernim promatranjima Svemira.
"Nakon što su izveli iste testove klasteriranja galaksija kao i prije, astronomi su pronašli zapanjujući dogovor između simuliranog i promatranog svemira. U sljedećim desetljećima, hladna čestica testirana je rigoroznijim, ne-trivijalnim testovima od običnog klasteriranja galaksija i općenito je sve to prenijela letećim bojama. "
Drugi izvor privlačnosti je činjenica da bi hladnu Mračnu Matter (barem teoretski) trebalo otkriti izravno ili neizravno. Međutim, ovdje CDM nailazi na probleme jer svi dosadašnji pokušaji otkrivanja pojedine čestice nisu uspjeli. Kao takav, kosmolozi su uzeli u razmatranje druge moguće kandidate koji bi imali još niže razine interakcije s drugom materijom.
To je ono što je Sownak Bose, astronom iz CfA, pokušao utvrditi sa svojim timom istraživača. Radi studija, usredotočili su se na "toplog" kandidata Dark Matter-a. Ova vrsta čestica imala bi sposobnost suptilne interakcije s vrlo laganim česticama koje se kreću u blizini brzine svjetlosti, mada manje nego kod interaktivne "vruće" sorte.
Konkretno, ona bi mogla biti u mogućnosti komunicirati s neutrinama, bivšim prednjim trkačem za HDM scenarijem. Smatra se da su neutrini bili vrlo rasprostranjeni tijekom vrućeg ranog Svemira, pa bi prisutnost interaktivne Mračne materije imala snažan utjecaj.
"U ovoj klasi modela, čestica Tamne materije može imati ograničenu (ali slabu) interakciju sa zračenjem vrsta poput fotona ili neutrina", rekao je dr. Bose. "Ovo spajanje ostavlja prilično jedinstven otisak u" bujnosti "Univerzuma u ranim vremenima, što je prilično različito od onoga što bi se moglo očekivati ako bi Mračna materija bila hladna čestica."
Kako bi ovo testirali, tim je izveo vrhunske kosmološke simulacije u superračunalnim objektima na Harvardu i Sveučilištu Islanda. Ove su simulacije razmatrale kako će na formiranje galaksija utjecati prisutnost i tople i Mračne materije od oko milijarde nakon Velikog praska do 14 milijardi godina (otprilike sadašnjost). Rekao je dr. Bose:
„[U] smo pokrenuli računalne simulacije kako bi stvorili spoznaje kako ovaj Svemir može izgledati nakon 14 milijardi godina evolucije. Osim što smo modelirali komponentu Dark Matter, uvrstili smo i vrhunske recepte za stvaranje zvijezda, učinke supernova i crnih rupa, stvaranje metala itd.”
Tim je potom međusobno usporedio rezultate kako bi identificirao karakteristične potpise koji bi razlikovali jedan od drugog. Otkrili su da su za mnoge simulacije učinci ove interaktivne Mračne materije premali da bi bili uočljivi. Međutim, bile su prisutne na neke različite načine, posebno na način na koji su udaljene galaksije raspoređene u svemiru.
Ovo je promatranje posebno zanimljivo jer se u budućnosti može testirati pomoću instrumenata sljedeće generacije. "Način da se to učini jest mapirati ludost Univerzuma u ta rana vremena gledanjem u distribuciju plina vodika", objasnio je dr. Bose. "Promatrano, ovo je dobro uspostavljena tehnika: možemo ispitivati neutralni vodik u ranom svemiru gledajući spektre udaljenih galaksija (obično kvazara)."
Ukratko, svjetlost koja putuje do nas iz dalekih galaksija mora proći kroz intergalaktički medij. Ako ima puno neutralnog vodika u intervenirajućem mediju, emisijski vodovi iz galaksije djelomično će se apsorbirati, dok će biti neometan ako ima malo. Ako je Tamna materija uistinu hladna, prikazat će se u obliku puno „skupljenije“ distribucije vodikovog plina, dok će WDM scenarij rezultirati oscilirajućim grudicama.
Trenutno astronomski instrumenti nemaju potrebnu rezoluciju za mjerenje oscilacija plinova u vodiku u ranom Svemiru. No, kako je dr. Bose naznačio, ovo bi istraživanje moglo pružiti poticaj novim eksperimentima i novim mogućnostima koji bi bili u stanju napraviti ta zapažanja.
Na primjer, IR instrument poput James Webb svemirski teleskop (JWST) mogli bi se koristiti za izradu novih karata raspodjele apsorpcije vodikovog plina. Te bi karte mogle ili potvrditi utjecaj interaktivne Mračne materije ili isključiti kao kandidata. Nada se i da će ovo istraživanje potaknuti ljude da razmišljaju o kandidatima izvan onih koji su već razmatrani.
Na kraju, rekao je dr. Bose, prava vrijednost proizlazi iz činjenice da ovakve teorijske prognoze mogu potaknuti promatranja na nove granice i testirati granice onoga što mi mislimo da znamo. "I to je sve što nauka stvarno jeste", dodao je, "predviđajući, predlažući metodu za njegovo testiranje, izvodeći eksperiment i zatim ograničavajući / isključujući teoriju!"
