Od “ Zlatno doba opće relativnosti ” šezdesetih godina 20. stoljeća znanstvenici su smatrali da se veći dio svemira sastoji od tajanstvene nevidljive mase poznate kao “ Tamna materija “. Od tada znanstvenici pokušavaju razriješiti 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 teorijsku osnovu koja bi mogla objasniti ponašanje tamne materije. Do sada je rasprava bila usredotočena na pitanje je li 'vruća' ili 'hladna', pri čemu je hladno uživalo u prednosti zbog svoje relativne jednostavnosti. Međutim, nova studija provedena pod vodstvom Harvard-Smithsonian centar za astrofiziku (CfA) oživljava ideju da bi tamna materija zapravo mogla biti 'topla'.
To se temeljilo na kozmološkim simulacijama formiranja galaksija korištenjem modela svemira koji je uključivao interaktivnu tamnu materiju. Simulacije je proveo međunarodni tim istraživača s CfA, MIT-a Kavli institut za astrofiziku i svemirska istraživanja , the Leibniz institut za astrofiziku Potsdam i više sveučilišta. Studija se nedavno pojavila u Mjesečne obavijesti Kraljevskog astronomskog društva .
Umjetnički prikaz kozmološkog modela LCDM. Zasluge: Wikipedia Commons/Alex Mittelmann, Coldcreation
Kada je u pitanju, tamna materija je prikladno nazvana. Za početak, čini oko 84% mase svemira, ali niti emitira, ne apsorbira niti reflektira svjetlost ili bilo koji drugi poznati oblik zračenja. Kao drugo, nema elektromagnetski naboj i ne stupa u interakciju s drugom materijom osim putem gravitacije, najslabije od četiri temeljne sile.
Treće, ne sastoji se od atoma ili njihovih uobičajenih građevnih blokova (tj. elektrona, protona i neutrona), što doprinosi njegovoj tajanstvenoj prirodi. Kao rezultat toga, znanstvenici teoretiziraju da se mora sastojati od neke nove vrste materije koja je u skladu sa zakonima Svemira, ali se ne pojavljuje u konvencionalnim istraživanjima fizike čestica.
Dvije simulacije formiranja galaksija kada je svemir bio star oko milijardu godina. Zasluge: Bose i sur. 2019
Bez obzira na svoju pravu prirodu, tamna materija je imala dubok utjecaj na evoluciju kozmosa od otprilike milijardu godina nakon Velikog praska nadalje. Zapravo, vjeruje se da je igrao ključnu ulogu u svemu, od formiranja galaksija do distribucije kozmičkog mikrovalnog pozadinskog zračenja (CMB).
Štoviše, kozmološki modeli koji uzimaju u obzir ulogu tamne materije potkrijepljeni su opažanjima ove dvije vrlo različite vrste kozmičkih struktura. Također, oni su u skladu s kozmičkim parametrima kao što je brzina kojom se svemir širi, a na koju utječe tajanstvena, nevidljiva sila (poznata kao ' Tamna energija ').
Trenutno, najšire prihvaćeni modeli tamne materije pretpostavljaju da ona ne stupa u interakciju s bilo kojom drugom vrstom materije ili zračenja (uključujući samu sebe) izvan utjecaja gravitacije – tj. da je “hladna”. To je ono što je poznato kao scenarij hladne tamne materije (CDM), koji se često kombinira s teorijom tamne energije (koju predstavlja Lambda) u obliku LCDM kozmološkog modela.
Ovaj teorijski oblik tamne materije također se naziva neinteraktivnim, budući da nije sposoban za interakciju s normalnom materijom putem bilo čega osim najslabije od osnovnih sila. Kako je dr. Sownak Bose, astronom s CfA-a i glavni autor studije, objasnio za Universe Today putem e-pošte:
“[CDM] je najprovjereniji i najpoželjniji model. To je prvenstveno zato što su tijekom posljednja četiri desetljeća ili tako nešto ljudi naporno radili na predviđanju koristeći hladnu tamnu materiju kao standardnu paradigmu – oni se zatim uspoređuju sa stvarnim podacima – uz nalaz da je ovaj model općenito sposoban reproducirati širok raspon promatranih pojava u širokom rasponu ljestvica.”
Kako ga opisuje, scenarij hladne tamne materije postao je predvodnik nakon što su provedene numeričke simulacije kozmičke evolucije pomoću 'vruće tamne materije' - u ovom slučaju, neutrina. To su subatomske čestice koje su vrlo slične elektronu, ali nemaju električni naboj. Oni su također toliko lagani da putuju svemirom gotovo brzinom svjetlosti (drugim riječima, kinematički su 'vrući').
Ove simulacije su pokazale da predviđene distribucije ne izgledaju nimalo kao Svemir danas”, dodao je Bose. “Iz tog razloga, počela se razmatrati suprotna granica, čestice koje jedva da imaju ikakvu brzinu kada se rode (poznato kao “hladne”). Simulacije koje su uključivale ovog kandidata mnogo više odgovaraju modernim promatranjima svemira.
“Nakon izvođenja istih testova grupiranja galaksija kao i prije, astronomi su pronašli zapanjujući dogovor između simuliranog i promatranog svemira. U narednim desetljećima, hladna čestica je testirana kroz rigoroznije, netrivijalne testove od jednostavnog skupljanja galaksija, i općenito je svaki od njih uspješno prošla.”
Drugi izvor privlačnosti je činjenica da bi se hladna tamna materija (barem teoretski) trebala otkriti bilo izravno ili neizravno. Međutim, ovdje CDM upada u probleme jer su svi pokušaji otkrivanja jedne čestice do sada propali. Kao takvi, kozmolozi su uzeli u obzir 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 svog proučavanja, usredotočili su se na kandidata za 'toplu' tamnu materiju. Ova vrsta čestica imala bi sposobnost suptilne interakcije s vrlo laganim česticama koje se kreću blizu brzine svjetlosti, iako manje od interaktivnije 'vruće' vrste.
Konkretno, mogao bi biti sposoban za interakciju s neutrinima, bivšim predvodnikom HDM scenarija. Smatra se da su neutrini bili vrlo rasprostranjeni tijekom vrućeg ranog svemira, tako da bi prisutnost tamne materije u interakciji imala snažan utjecaj.
Vidljivo svjetlo (lijevo) i infracrvena slika (desno) galaksije Whirlpool, snimljena NASA-inim svemirskim teleskopom Hubble. Zasluge: NASA/ESA/M. Regan & B. Whitmore (STScI), & R. Chandar (U. Toledo)/S. Beckwith (STScI) i Hubble Heritage tim (STScI/AURA
'U ovoj klasi modela, čestici tamne materije dopušteno je da ima konačnu (ali slabu) interakciju s radijativnim vrstama poput fotona ili neutrina', rekao je dr. Bose. 'Ovo spajanje ostavlja prilično jedinstven otisak u 'grudovitosti' Svemira u ranim vremenima, što je dosta drugačije od onoga što bi se moglo očekivati da je tamna materija bila hladna čestica.'
Kako bi to testirao, tim je proveo najsuvremenije kozmološke simulacije u superračunalskim objektima na Harvardu i na Sveučilištu Island. Ove simulacije razmatrale su kako će na formiranje galaksija utjecati prisutnost tople i tamne materije od otprilike 1 milijarde nakon Velikog praska do 14 milijardi godina (otprilike sadašnjost). Dr. Bose je rekao:
“Pokrenuli smo računalne simulacije kako bismo generirali spoznaje kako bi ovaj Svemir mogao izgledati nakon 14 milijardi godina evolucije. Uz modeliranje komponente tamne materije, uključili smo i najsuvremenije recepte za stvaranje zvijezda, efekte supernova i crnih rupa, stvaranje metalaitd.'
Tim je zatim međusobno usporedio rezultate kako bi identificirao karakteristične potpise koji bi razlikovali jedan od drugog. Ono što su otkrili je da su za mnoge simulacije učinci ove interaktivne tamne materije bili premali da bi bili uočljivi. Međutim, oni su bili prisutni na neke različite načine, posebno na način na koji su udaljene galaksije raspoređene po svemiru.
Računalna simulacija raspodjele materije u svemiru. Narančaste regije ugošćuju galaksije; plave strukture su plin i tamna materija. Zasluge: TNG Collaboration
Ovo opažanje je posebno zanimljivo jer se može testirati u budućnosti pomoću instrumenata sljedeće generacije. 'Način da se to učini je mapiranje grudastosti Svemira u ovim ranim vremenima gledajući distribuciju plinovitog vodika', objasnio je dr. Bose. 'Promatrano, ovo je dobro uspostavljena tehnika: možemo ispitati neutralni vodik u ranom svemiru gledajući spektre udaljenih galaksija (obično kvazara).'
Ukratko, svjetlost koja putuje do nas iz udaljenih galaksija mora proći kroz međugalaktički medij. Ako ima puno neutralnog vodika u mediju između, linije emisije iz galaksije će se djelomično apsorbirati, dok će biti nesmetane ako ga ima malo. Ako je tamna materija uistinu hladna, pojavit će se u obliku puno 'grupavije' distribucije plina vodika, dok će WDM scenarij rezultirati oscilirajućim grudima.
Trenutno astronomski instrumenti nemaju potrebnu rezoluciju za mjerenje oscilacija plina vodika u ranom Svemiru. No, kao što je dr. Bose naznačio, ovo istraživanje moglo bi dati poticaj za nove eksperimente i nova postrojenja koja bi bila sposobna za ova opažanja.
Na primjer, IR instrument poput Svemirski teleskop James Webb (JWST) mogao bi se koristiti za stvaranje novih karata distribucije apsorpcije plina vodika. Ove karte bi mogle ili potvrditi utjecaj interaktivne tamne materije ili je isključiti kao kandidata. Također se nadamo da će ovo istraživanje potaknuti ljude da razmišljaju o kandidatima osim onih koji su već razmatrani.
Na kraju, rekao je dr. Bose, prava vrijednost proizlazi iz činjenice da ove vrste teorijskih predviđanja mogu potaknuti opažanja na nove granice i testirati granice onoga što mislimo da znamo. “I to je sve što znanost zapravo jest,” dodao je, “predviđanje, predlaganje metode za testiranje, izvođenje eksperimenta i zatim ograničavanje/isključivanje teorije!”
