От "Златния век на общата относителност" през 60-те години на миналия век, учените смятат, че голяма част от Вселената се състои от мистериозна невидима маса, известна като "Тъмна материя". Оттогава учените се опитват да разрешат тази мистерия с двойно подхождащ подход. От една страна, астрофизиците са се опитали да намерят кандидат-частица, която би могла да отчете тази маса.
От друга страна, астрофизиците са се опитали да намерят теоретична основа, която да обясни поведението на Dark Matter. Досега дебатът беше съсредоточен върху въпроса дали е „горещ“ или „студен“, като студът се радва на предимство поради относителната си простота. Ново проучване, проведено обаче, ръководено от Харвард-Смитсонов център за астрофизика (CfA)
Това се основаваше на космологични симулации на образуване на галактики, използвайки модел на Вселената, който включваше интерактивна тъмна материя. Симулациите бяха проведени от международен екип от изследователи от CfA, Института за астрофизика и космически изследвания на MIT, Института за астрофизика Лайбниц в Потсдам и множество университети. Проучването наскоро се появи в Месечни известия на Кралското астрономическо дружество.
Когато се стигне веднага до него, Dark Matter е подходящо наречен. За начало, тя представлява около 84% от масата на Вселената, но нито излъчва, не поглъща или отразява светлина или друга известна форма на радиация. На второ място, тя няма електромагнитен заряд и не взаимодейства с друга материя, освен чрез гравитацията, най-слабата от четирите основни сили.
Трето, тя не е съставена от атоми или техните обичайни градивни елементи (т.е. електрони, протони и неутрони), което допринася за нейната загадъчна природа. В резултат на това учените теоретизират, че тя трябва да се състои от някакъв нов вид материя, която е в съответствие със законите на Вселената, но не се проявява в конвенционалните изследвания на физиката на частиците.
Независимо от истинската си същност, Тъмната материя оказва дълбоко влияние върху еволюцията на Космоса от около 1 милиард години след Големия взрив нататък. Всъщност се смята, че е играл ключова роля във всичко - от формирането на галактики до разпределението на радиацията на космическия микровълнов фон (CMB).
Нещо повече, космологичните модели, които отчитат ролята на Тъмната материя, са подкрепени от наблюдения на тези два много различни типа космически структури. Също така, те са в съответствие с космически параметри като скоростта, с която Вселената се разширява, която сама по себе си се влияе от мистериозна, невидима сила (известна като „тъмна енергия“).
Понастоящем най-широко приетите модели на Dark Matter предполагат, че той не взаимодейства с други видове материя или радиация (включително себе си) извън влиянието на гравитацията - т.е., че е „студено“. Това е известният като сценарий на студената тъмна материя (CDM), който често се комбинира с теорията за тъмната енергия (представена от Ламбда) под формата на космологичния модел на LCDM.
Тази теоретична форма на Тъмната материя също е посочена като
„[CDM] е най-добре изпитаният и предпочитан модел. Това се дължи предимно на това, че през последните четири десетилетия или повече хората работят усилено, за да правят прогнози, използвайки студената Dark Matter като стандартна парадигма - те след това се сравняват с реални данни - с констатацията, че като цяло този модел е в състояние да възпроизвеждат широк спектър от наблюдавани явления в широк диапазон от скали. "
Както той го описва, сценарият на студената тъмна тъмнина става водещ, след като числени симулации на космическата еволюция се провеждат с помощта на „гореща тъмна материя“ - в случая неутрино. Това са субатомни частици, които са много подобни на ан
Тези симулации показаха, че прогнозираните дистрибуции не приличат на вселената днес ", добави Бозе. „Поради тази причина започна да се счита обратната граница, частици, които имат почти никаква скорост, когато се родят (известен още като„ студено “). Симулациите, които включваха този кандидат, пасват на съвременните наблюдения на Вселената много по-отблизо.
„След извършване на същите тестове за клъстериране на галактика, както преди, астрономите намериха поразително споразумение между симулираните и наблюдаваните вселени. В следващите десетилетия студената частица е тествана чрез по-строги, нетривиални тестове, отколкото просто групиране на галактики и обикновено преминава всяка от тях с летящи цветове. "
Друг източник на обжалване е фактът, че студената Тъмна материя (поне теоретично) трябва да бъде открита пряко или косвено. Тук обаче CDM изпада в затруднение, тъй като всички опити за откриване на единична частица досега не са успели. Като такива космолозите вземат предвид други възможни кандидати, които биха имали още по-малки нива на взаимодействие с друга материя.
Това е искал да определи Соунак Босе, астроном с CfA, с екипа си от изследователи. В името на своето проучване те се съсредоточиха върху „топлия“ кандидат на Тъмната материя. Този тип частици биха имали способността да взаимодействат фино с много леки частици, които се движат близо до скоростта на светлината, макар и по-малко, отколкото по-интерактивният "горещ" сорт.
По-специално, тя може да бъде в състояние да взаимодейства с неутрино, бившият преден състезател за HDM сценария. Смята се, че неутрините са били много разпространени през горещата ранна Вселена, така че наличието на взаимодействаща Тъмна материя би имало силно влияние.
„В този клас модели на частиците с тъмна материя е позволено да имат ограничено (но слабо) взаимодействие с излъчващи видове като фотони или неутрино“, казва д-р Бозе. „Това свързване оставя доста уникален отпечатък в„ пищността “на Вселената в ранни времена, което е доста различно от това, което може да се очаква, ако Тъмната материя беше студена частица.“
За да провери това, екипът проведе съвременни космологични симулации в суперкомпютърните съоръжения в Харвард и университета в Исландия. Тези симулации обмисляха как формирането на галактики ще бъде повлияно от наличието на топла и тъмна материя от около 1 милиард след Големия взрив до 14 милиарда години (приблизително сега). Каза, че д-р Бозе посочи:
„[W] проведохме компютърни симулации, за да генерираме реализации на това, което може да изглежда тази Вселена след 14 милиарда години еволюция. В допълнение към моделирането на компонента Dark Matter, ние също включихме най-съвременните предписания за образуване на звезди, ефектите на свръхновите и черните дупки, образуването на метали и т.н..”
След това екипът сравнява резултатите помежду си, за да идентифицира характерни подписи, които да различават един от друг. Те откриха, че за много симулации ефектите от тази интерактивна Тъмна материя са твърде малки, за да бъдат забележими. Те обаче присъстваха по някои различни начини, особено по начина, по който далечните галактики са разпределени в пространството.
Това наблюдение е особено интересно, защото може да бъде тествано в бъдеще с помощта на инструменти от следващо поколение. „Начинът да направите това е да се картографира пищността на Вселената в тези ранни времена, като се разгледа разпределението на водородния газ“, обясни д-р Бозе. „Наблюдателно това е добре установена техника: можем да сондираме неутрален водород в ранната Вселена, като погледнем спектрите на далечни галактики (обикновено квазари).“
Накратко, светлината, пътуваща към нас от далечни галактики, трябва да премине през междугалактичната среда. Ако има много неутрален водород в междинната среда, емисионните линии от галактиката ще бъдат частично погълнати, докато те ще бъдат безпрепятствени, ако има малко. Ако тъмната материя е наистина студена, тя ще се прояви под формата на много по-лумбално разпределение на водороден газ, докато WDM сценарият ще доведе до колебателни бучки.
В момента астрономическите инструменти нямат необходимата резолюция за измерване на колебанията на водороден газ в ранната Вселена. Но както посочи д-р Бозе, това изследване може да даде тласък за нови експерименти и нови съоръжения, които биха могли да направят тези наблюдения.
Например, IR инструмент като Космически телескоп Джеймс Уеб (JWST) може да се използва за създаване на нови карти на разпределението на абсорбцията на водороден газ. Тези карти ще могат или да потвърдят влиянието на интерактивната тъмна материя, или да я изключат като кандидат. Надяваме се също, че това изследване ще вдъхнови хората да мислят за кандидати извън тези, които вече са били обмислени.
В крайна сметка, каза д-р Бозе, истинската стойност идва от факта, че тези видове теоретични прогнози могат да подтикнат наблюденията към нови граници и да тестват границите на това, което мислим, че знаем. „И това е всичко, което наистина е науката“, добави той, „прави прогноза, предлага метод за тестване, провежда експеримента и след това ограничава / изключва теорията!“
