Încă din „Epoca de Aur a Relativității Generale” din anii 1960, oamenii de știință au considerat că o mare parte a Universului constă într-o masă misterioasă invizibilă cunoscută sub numele de „Materia întunecată”. De atunci, oamenii de știință au încercat să rezolve acest mister cu o abordare dublă. Pe de o parte, astrofizicienii au încercat să găsească o particulă candidată care să poată da seama de această masă.
Pe de altă parte, astrofizicienii au încercat să găsească o bază teoretică care să explice comportamentul materiei întunecate. Până acum, dezbaterea s-a concentrat pe întrebarea dacă este „fierbinte” sau „rece”, iar rece se bucură de o margine datorită relativității sale. Cu toate acestea, un nou studiu realizat de Centrul pentru Astrofizică Harvard-Smithsonian (CfA)
Aceasta s-a bazat pe simulări cosmologice ale formării galaxiei folosind un model al Universului care includea Materia Întunecată interactivă. Simulările au fost realizate de o echipă internațională de cercetători de la CfA, MIT Kavli Institute for Astrophysics and Space Research, Leibniz Institute for Astrophysics Potsdam și mai multe universități. Studiul a apărut recent în Avize lunare ale Royal Astronomical Society.
Când vine vorba de aceasta, Dark Matter este numit în mod corespunzător. Pentru început, el reprezintă aproximativ 84% din masa Universului, dar nu emite, nu absoarbe sau nu reflectă lumina sau orice altă formă de radiație cunoscută. În al doilea rând, nu are nicio sarcină electromagnetică și nu interacționează cu alte materii decât prin gravitație, cea mai slabă dintre cele patru forțe fundamentale.
În al treilea rând, nu este compus din atomi sau blocurile lor obișnuite de construcție (adică electroni, protoni și neutroni), ceea ce contribuie la natura sa misterioasă. Drept urmare, oamenii de știință teoretizează că aceasta trebuie să fie alcătuită dintr-un fel de materie nouă, care să fie în concordanță cu legile Universului, dar care nu apare în cercetarea convențională în fizica particulelor.
Indiferent de natura sa adevărată, Materia Întunecată a avut o influență profundă asupra evoluției cosmosului de la aproximativ 1 miliard de ani de la Big Bang încoace. De fapt, se crede că a jucat un rol cheie în toate, de la formarea de galaxii până la distribuția radiației Cosmic Microwave Background (CMB).
În plus, modelele cosmologice care iau în considerare rolul jucat de Dark Matter sunt susținute de observațiile acestor două tipuri foarte diferite de structuri cosmice. De asemenea, ele sunt în concordanță cu parametrii cosmici precum ritmul cu care Universul se extinde, care este el însuși influențat de o forță misterioasă, invizibilă (cunoscută sub numele de „Energie întunecată”).
În prezent, cele mai acceptate modele de materie întunecată presupun că nu interacționează cu niciun alt tip de materie sau radiație (inclusiv ea însăși) dincolo de influența gravitației - adică că este „rece”. Acest lucru este cunoscut sub denumirea de scenariu Cold Dark Matter (CDM), care este adesea combinat cu teoria Energiei Întunecate (reprezentată de Lambda) sub forma modelului cosmologic LCDM.
Această formă teoretică a materiei întunecate este de asemenea denumită
„[CDM] este modelul cel mai bine testat și preferat. Acest lucru se datorează în primul rând faptului că în ultimele patru decenii, oamenii au lucrat din greu pentru a face predicții folosind materia întunecată rece ca paradigmă standard - acestea sunt apoi comparate cu datele reale - cu constatarea că, în general, acest model este capabil să reproduce o gamă largă de fenomene observate pe o gamă largă de scale. "
Așa cum îl descrie, scenariul de la Dark Dark Matter a devenit conducătorul din față după ce simulările numerice ale evoluției cosmice au fost efectuate folosind „Hot Dark Matter” - în acest caz, neutrino. Acestea sunt particule subatomice care sunt foarte asemănătoare cu an
Aceste simulări au arătat că distribuțiile preconizate nu arătau nimic ca Universul astăzi ”, a adăugat Bose. „Din acest motiv, a început să fie luată în considerare limita opusă, particule care au abia o viteză atunci când se nasc (de asemenea,„ frig ”). Simulările care au inclus acest candidat se potrivesc mult mai îndeaproape la observațiile moderne ale Universului.
„După ce au efectuat aceleași teste de clustering de galaxie ca și anterior, astronomii au găsit un acord uluitor între universurile simulate și cele observate. În deceniile următoare, particulele reci au fost testate prin teste mai riguroase, non-triviale, decât prin simpla aglomerare de galaxii și, în general, au trecut fiecare dintre acestea cu culori zburătoare. "
O altă sursă de apel este faptul că materia întunecată rece (cel puțin teoretic) ar trebui să fie detectabilă fie direct, fie indirect. Totuși, acesta este locul în care CDM are probleme, deoarece toate încercările de detectare a unei singure particule până acum au eșuat. Ca atare, cosmologii au luat în considerare alți candidați posibili care ar avea niveluri și mai mici de interacțiune cu alte materii.
Asta a căutat Sownak Bose, astronom cu CfA, să determine cu echipa sa de cercetători. De dragul studiului lor, s-au concentrat pe un candidat „cald” al materiei întunecate. Acest tip de particule ar avea capacitatea de a interacționa subtil cu particule foarte ușoare care se apropie de viteza luminii, deși mai puțin decât varietatea mai „caldă” interactivă.
În special, ar putea fi capabil să interacționeze cu neutrinii, fostul front-runer pentru scenariul HDM. Se consideră că neutrinii au fost foarte răspândiți în timpul Universului timpuriu fierbinte, astfel încât prezența materiei întunecate în interacțiune ar fi avut o influență puternică.
„În această clasă de modele, particulei Dark Matter are voie să aibă o interacțiune finită (dar slabă) cu o specie radiativă precum fotonii sau neutrinii”, a spus dr. Bose. „Acest cuplaj lasă o amprentă destul de unică în„ somnolența ”Universului în timpuri, care este cu totul diferit de ceea ce s-ar putea aștepta dacă Materia Întunecată ar fi o particulă rece.”
Pentru a testa acest lucru, echipa a efectuat simulări cosmologice de ultimă generație în instalațiile de supercomputare de la Harvard și Universitatea din Islanda. Aceste simulări au avut în vedere modul în care formarea galaxiei ar fi afectată atât de prezența materiei calde, cât și a materiei întunecate, de la aproximativ 1 miliard după Big Bang până la 14 miliarde de ani (aproximativ în prezent). Dr. Bose a spus:
„[W] am derulat simulări computerizate pentru a genera realizări despre cum ar putea arăta acest Univers după 14 miliarde de ani de evoluție. Pe lângă modelarea componentei Dark Matter, am inclus și rețete de ultimă generație pentru formarea stelelor, efectele supernovelor și găurilor negre, formarea metalelor etc.”
Apoi, echipa a comparat rezultatele între ele pentru a identifica semnături caracteristice care ar distinge una de cealaltă. Ceea ce au descoperit a fost că, pentru multe dintre simulări, efectele acestei materii interactive întunecate erau prea mici pentru a fi sesizate. Cu toate acestea, ele au fost prezente în anumite moduri distincte, în special în modul în care galaxiile îndepărtate sunt distribuite în întreg spațiul.
Această observație este deosebit de interesantă, deoarece poate fi testată în viitor folosind instrumente de generație viitoare. „Modul de a face acest lucru este să mapăm absurditatea Universului în aceste momente timpurii, analizând distribuția hidrogenului gazos”, a explicat dr. Bose. „Observativ, aceasta este o tehnică bine pusă la punct: putem sonda hidrogen neutru în universul timpuriu, uitându-ne la spectrele galaxiilor îndepărtate (de obicei, quasare).”
Pe scurt, lumina care călătorește spre noi din galaxii îndepărtate trebuie să treacă prin mediul intergalactic. Dacă în mediul intervenient există o cantitate mare de hidrogen neutru, liniile de emisie din galaxie vor fi parțial absorbite, în timp ce vor fi neimpediate dacă este puțin. Dacă Dark Matter este cu adevărat rece, aceasta va apărea sub forma unei distribuții mult mai „mai lungi” a gazului de hidrogen, în timp ce un scenariu WDM va duce la oscilații.
În prezent, instrumentele astronomice nu au rezoluția necesară pentru a măsura oscilațiile gazelor de hidrogen din Universul timpuriu. Dar, după cum a indicat dr. Bose, această cercetare ar putea oferi un impuls pentru noi experimente și noi facilități care ar putea să facă aceste observații.
De exemplu, instrument IR precum Telescopul spațial James Webb (JWST) ar putea fi utilizat pentru a crea noi hărți de distribuție a absorbției gazelor de hidrogen. Aceste hărți ar putea fie să confirme influența materiei întunecate interactive, fie să o excludă în calitate de candidat. De asemenea, se speră că această cercetare va inspira oamenii să se gândească la candidați dincolo de cei care au fost deja luați în considerare.
În cele din urmă, a spus dr. Bose, valoarea reală vine din faptul că aceste tipuri de predicții teoretice pot stimula observațiile în noile frontiere și pot testa limitele a ceea ce credem că știm. „Și asta este tot ceea ce este știința”, a adăugat el, „făcând o predicție, propunând o metodă pentru testarea acesteia, realizând experimentul și apoi constrângând / eliminând teoria!”
