Az 1960-as évek „Az általános relativitáselmélet aranykora” óta a tudósok úgy vélték, hogy az univerzum nagy része egy titokzatos, láthatatlan tömegből áll, amelyet „sötét anyag” -nak neveznek. Azóta a tudósok megpróbálták kettős irányú megközelítéssel megoldani ezt a rejtélyt. Egyrészt az asztrofizikusok megkíséreltek olyan részecskét találni, amely képes figyelembe venni ezt a tömeget.
Másrészt az asztrofizikusok megkíséreltek egy olyan elméleti alapot találni, amely megmagyarázhatja a Sötét Matter viselkedését. Eddig a vita arra a kérdésre összpontosított, hogy „meleg” vagy „hideg”, a hidegnek relatív egyszerűsége miatt élvezi a szélét. Ugyanakkor egy új tanulmány, amelyet a Harvard-Smithsonian Asztrofizikai Központ (CfA) vezet.
Ez a galaxisképződés kozmológiai szimulációján alapult, egy univerzum modelljével, amely interaktív sötét anyagot tartalmaz. A szimulációkat a CfA, az MIT Kavli Asztrofizikai és Űrkutatási Intézetének, a Leibniz Asztrofizikai Intézetének Potsdam és több egyetem kutatói nemzetközi csoport végezte. A tanulmány nemrégiben jelent meg a A Királyi Csillagászati Társaság havi értesítései.
Ami a sötét anyagot illeti, azt megfelelő módon nevezik. Először is, ez az univerzum tömegének körülbelül 84% -át teszi ki, de sem a fényt, sem a sugárzás más ismert formáit nem bocsátja ki, nem absorbálja vagy tükrözi vissza. Másodszor, nincs elektromágneses töltése, és más anyaggal nem kölcsönhatásba lép, kivéve a gravitáció révén, amely a négy alapvető erő közül a leggyengébb.
Harmadszor, nem atomokból vagy azok szokásos építőelemeiből (azaz elektronokból, protonokból és neutronokból) áll, amely hozzájárul annak titokzatos természetéhez. Ennek eredményeként a tudósok elméletük szerint valamilyen új anyagból kell állniuk, amely összhangban áll az univerzum törvényeivel, de nem jelenik meg a hagyományos részecskefizikai kutatások során.
Függetlenül annak valódi természetétől, a Sötét Anya körülbelül egy milliárd évvel a nagy robbanás után nagymértékben befolyásolta a kozmosz fejlődését. Valójában úgy gondolják, hogy kulcsszerepet játszott mindenben, a galaxisok kialakulásától a kozmikus mikrohullámú háttér (CMB) sugárzás eloszlásáig.
Sőt, a Sötét Anyag szerepét figyelembe vevő kozmológiai modelleket e két nagyon különböző típusú kozmikus struktúra megfigyelései alátámasztják. Emellett összhangban állnak a kozmikus paraméterekkel, például az Univerzum tágulási sebességével, amelyet maga rejtélyes, láthatatlan erő („sötét energia” néven is befolyásol).
Jelenleg a sötét anyag legszélesebb körben elfogadott modelljei feltételezik, hogy az nem kölcsönhatásba lép más anyaggal vagy sugárzással (beleértve magát) a gravitáció hatásain kívül - vagyis hogy „hideg”. Ez az úgynevezett hideg sötét anyag (CDM) forgatókönyv, amelyet gyakran kombinálnak a sötét energia elméletével (amelyet Lambda képvisel) LCDM kozmológiai modell formájában.
A sötét anyag ezen elméleti formájára is hivatkozunk
„A [CDM] a legjobban tesztelt és a legelőnyösebb modell. Ennek oka elsősorban az, hogy kb. Az elmúlt négy évtizedben az emberek keményen dolgoztak előrejelzések készítésénél a hideg sötét anyag mint szokásos paradigma felhasználásával - ezeket összehasonlítják a valós adatokkal - azzal a megállapítással, hogy ez a modell általában képes reprodukálja a megfigyelt jelenségek széles skáláját széles skálán. ”
Amint leírja, a hideg sötét anyag forgatókönyv lett az első helyezett, miután a kozmikus evolúció numerikus szimulációja „forró sötét anyag” - ebben az esetben a neutrinó - segítségével történt. Ezek olyan szubatomi részecskék, amelyek nagyon hasonlítanak az anatomhoz
Ezek a szimulációk azt mutatták, hogy a becsült eloszlások nem hasonlítanak olyanokra, mint amilyeneket a Világegyetem ma tette. ”- tette hozzá Bose. „Ezért megkezdtük az ellenkező határ figyelembe vételét: olyan részecskék, amelyek születésekor alig van sebesség (más néven„ hideg ”). A jelöltet bevonó szimulációk sokkal szorosabban illeszkednek a világegyetem modern megfigyeléseihez.
„Miután ugyanazokat a galaxis-klaszter-teszteket hajtották végre, mint korábban, a csillagászok megdöbbentő megállapodást találtak a szimulált és megfigyelt univerzumok között. A következő évtizedekben a hideg részecskét szigorúbb, nem triviális tesztekkel tesztelték, mint pusztán a galaxis-csoportosulást, és ezek mindegyikét repülõ színekkel teljesítette. ”
A fellebbezés másik forrása az a tény, hogy a hideg sötét anyagnak (legalábbis elméletileg) közvetlen vagy közvetett módon kimutathatónak kell lennie. Ebben az esetben azonban a CDM bajba kerül, mivel eddig egyetlen részecske észlelésének minden kísérlete kudarcot vallott. Mint ilyen, a kozmológusok más lehetséges jelölteket fontolóra vettek, amelyek még alacsonyabb szintű interakcióval rendelkeznek más anyaggal.
Sownak Bose, a CfA csillagásza, ezt próbálta meghatározni kutatócsoportjával. Tanulmányaik érdekében egy „meleg” sötét anyag jelöltre összpontosítottak. Ez a fajta részecske finoman képes kölcsönhatásba lépni olyan nagyon könnyű részecskékkel, amelyek a fénysebességhez közel mozognak, bár kevésbé, mint az interaktívabb „forró” változat.
Különösen képes lehet kölcsönhatásba lépni a neutrinókkal, a HDM forgatókönyv korábbi első helyezettjével. Úgy gondolják, hogy a neutrínók nagyon elterjedtek voltak a forró korai világegyetem idején, így az egymással kölcsönhatásba lépő sötét anyag jelenléte erőteljes hatást gyakorolt volna.
"Ebben a modellosztályban a sötét anyag részecskéinek megengedett, hogy véges (de gyenge) kölcsönhatása legyen egy sugárzó fajjal, például fotonokkal vagy neutrinókkal" - mondta Dr. Bose. "Ez a kapcsolás meglehetősen egyedi lenyomatot hagy a világegyetem" csomóságában "a korai időkben, ami nagyon különbözik attól, ami elvárható, ha a Sötét Anyag hideg részecske lenne."
Ennek tesztelésére a csapat korszerű kozmológiai szimulációkat végzett a Harvard és az Izlandi Egyetem szuperszámítógépeiben. Ezek a szimulációk megvizsgálták, hogy a galaxisok kialakulását hogyan befolyásolja mind a meleg, mind a sötét anyag jelenléte a nagy robbanás utáni körülbelül 1 milliárdtól a 14 milliárd évig (nagyjából a jelen). Dr. Bose azt mondta:
„[W] Számítógépes szimulációkat végeztünk annak érdekében, hogy felismerjük, hogy néz ki ez a világegyetem 14 milliárd éves evolúció után. A sötét anyag komponens modellezésén túl a csillagképződésre, a szupernóvák és a fekete lyukak hatásaira, a fémek képzésére vonatkozó legkorszerűbb előírásokat is tartalmaztunk stb..”
Ezután a csapat összehasonlította az eredményeket egymással, hogy azonosítsák azokat a jellemző aláírásokat, amelyek megkülönböztetik egymástól. Azt találták, hogy sok szimulációhoz az interaktív sötét anyag hatása túl kicsi volt ahhoz, hogy észrevehető legyen. Ezek azonban különálló módon jelen voltak, különösen abban a tekintetben, hogy a távoli galaxisok eloszlanak az űrben.
Ez a megfigyelés különösen érdekes, mivel a jövőben a következő generációs eszközökkel tesztelhető. "Ennek módja az, hogy a korai időkben feltérképezzük az Univerzum pontságát, a hidrogéngáz eloszlása alapján" - magyarázta Dr. Bose. "Megfigyelés szerint ez egy jól bevált technika: semleges hidrogént tudunk vizsgálni a korai világegyetemben, ha a távoli galaxisok (általában kvazárok) spektrumát nézzük."
Röviden: a távoli galaxisokból hozzánk érkező fénynek át kell mennie a galaktikus közegen. Ha sok közömbös hidrogén van a közbenső közegben, akkor a galaxis kibocsátási vonalai részben abszorbeálódnak, míg akadálytalanok, ha kevés. Ha a Sötét Anyag valóban hideg, akkor a hidrogéngáz sokkal „gyorsabb” eloszlása formájában jelentkezik, míg a WDM forgatókönyv oszcilláló csomókat eredményez.
Jelenleg a csillagászati műszerek nem rendelkeznek a szükséges felbontással a hidrogéngáz rezgésének mérésére a korai világegyetemben. De amint azt Dr. Bose jelezte, ez a kutatás lendületet adhat új kísérletekhez és új létesítményekhez, amelyek képesek lennének ezekre a megfigyelésekre.
Például olyan IR eszköz, mint az James Webb Űrtávcső (JWST) felhasználható új térképek elkészítésére a hidrogéngáz abszorpciójának megoszlásáról. Ezek a térképek megerősíthetik az interaktív Sötét Anyag hatását, vagy kizárhatják azt jelöltként. Azt is reméljük, hogy ez a kutatás arra ösztönzi az embereket, hogy a már figyelembe vett jelölteken kívüli jelöltekre gondolkozzanak.
Végül, Dr. Bose mondta, a valódi érték abból fakad, hogy az ilyen elméleti jóslatok új megfigyelésekbe ösztönözhetik a megfigyeléseket, és megvizsgálhatják azt, amit gondolunk, mi tudunk. "És ennyi is a tudomány valójában" - tette hozzá, - előrejelzést fogalmaz meg, javaslatot tesz annak tesztelésére, a kísérlet végrehajtására, majd az elmélet korlátozására / kizárására! "
