Siden "Golden Age of General Relativity" på 1960-tallet har forskere holdt fast at store deler av universet består av en mystisk usynlig masse kjent som "Dark Matter". Siden den gang har forskere forsøkt å løse dette mysteriet med en dobbeltpreget tilnærming. På den ene siden har astrofysikere forsøkt å finne en kandidatpartikkel som kan forklare denne massen.
På den andre siden har astrofysikere forsøkt å finne et teoretisk grunnlag som kan forklare Dark Matters oppførsel. Så langt har debatten sentrert seg om spørsmålet om det er "varmt" eller "kaldt", med kulde som nyter godt av sin fordel på grunn av sin relative enkelhet. En ny studie utført av Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA)
Dette var basert på kosmologiske simuleringer av galaksdannelse ved bruk av en modell av et univers som inkluderte interaktivt Dark Matter. Simuleringene ble utført av et internasjonalt team av forskere fra CfA, MITs Kavli Institute for Astrophysics and Space Research, Leibniz Institute for Astrophysics Potsdam, og flere universiteter. Studien har nylig dukket opp i Månedlige merknader fra Royal Astronomical Society.
Når det kommer helt ned til det, heter Dark Matter riktig navn. For det første utgjør det omtrent 84% av universets masse, men verken avgir, absorberer eller reflekterer lys eller noen annen kjent form for stråling. For det andre har den ingen elektromagnetisk ladning og samhandler ikke med annen materie bortsett fra gjennom tyngdekraften, den svakeste av de fire grunnleggende kreftene.
For det tredje består den ikke av atomer eller deres vanlige byggesteiner (dvs. elektroner, protoner og nøytroner), noe som bidrar til dets mystiske natur. Som et resultat teoretiserer forskere at det må bestå av en ny type materie som er i samsvar med lovene i universet, men som ikke vises i konvensjonell partikkelfysikkforskning.
Uavhengig av dens sanne natur har Dark Matter hatt en dyp innflytelse på utviklingen av kosmos siden omtrent 1 milliard år etter Big Bang og fremover. Det antas faktisk å ha spilt en nøkkelrolle i alt fra dannelsen av galakser til distribusjonen av CMB-strålingen.
Kosmologiske modeller som tar hensyn til rollen som Dark Matter spiller, blir dessuten støttet av observasjoner av disse to veldig forskjellige typene kosmiske strukturer. De er også i samsvar med kosmiske parametere som hastigheten som universet utvider seg til, og som selv påvirkes av en mystisk, usynlig kraft (kjent som "Dark Energy").
For øyeblikket antar de mest aksepterte modellene av Dark Matter at den ikke samhandler med andre typer materie eller stråling (inkludert seg selv) utover tyngdekraften - dvs. at det er "kaldt". Dette er det som kalles CDM-scenariet (Dark Dark Matter), som ofte er kombinert med teorien om Dark Energy (representert av Lambda) i form av LCDM-kosmologiske modellen.
Denne teoretiske formen for Dark Matter blir også referert til som
“[CDM] er den mest testede og foretrukne modellen. Dette er først og fremst fordi folk i løpet av de siste fire tiårene har jobbet hardt for å komme med forutsigelser ved bruk av kaldt Dark Matter som standardparadigme - disse blir deretter sammenlignet med virkelige data - med funnet at denne modellen generelt er i stand til å reprodusere et bredt spekter av observerte fenomener i et bredt spekter av skalaer. ”
Som han beskriver det, ble det kalde Dark Matter-scenariet frontløperen etter at numeriske simuleringer av kosmisk evolusjon gjennomførte ved bruk av "hot Dark Matter" - i dette tilfellet nøytrinoen. Dette er subatomære partikler som ligner veldig på en
Disse simuleringene viste at de forutsagte distribusjonene ikke så ut som universet gjør i dag, ”la Bose til. "Av den grunn begynte den motsatte grensen å bli vurdert, partikler som knapt har noen hastighet når de ble født (også kalt" kald "). Simuleringer som inkluderte denne kandidaten passer moderne observasjoner av universet mye nærmere.
“Etter å ha utført de samme galakse-klyngetestene som før, fant astronomer en oppsiktsvekkende avtale mellom de simulerte og observerte universene. I de påfølgende tiårene har den kalde partikkelen blitt testet gjennom strengere, ikke-trivielle tester enn bare galakseoppsamling, og den har generelt passert hver av disse med flygende farger. "
En annen kilde til appell er det faktum at kald Dark Matter (i det minste teoretisk) burde være påvisbar enten direkte eller indirekte. Imidlertid er det her CDM har problemer siden alle forsøk på å oppdage en enkelt partikkel så langt har mislyktes. Som sådan har kosmologer tatt for seg andre mulige kandidater som vil ha enda mindre nivåer av samhandling med annen materie.
Dette er hva Sownak Bose, en astronom med CfA, forsøkte å avgjøre med forskerteamet sitt. For studiens skyld fokuserte de på en "varm" Dark Matter-kandidat. Denne typen partikler vil ha muligheten til subtilt samspill med veldig lette partikler som beveger seg nær lysets hastighet, men mindre enn den mer interaktive "varme" varianten.
Spesielt kan det være i stand til å samhandle med nøytrinoer, den tidligere frontløperen for HDM-scenariet. Det antas at nøytrinoer har vært veldig utbredt under det varme tidlige universet, så tilstedeværelsen av interagerende Dark Matter ville ha hatt en sterk innflytelse.
"I denne modellen av modeller har Dark Matter-partikkelen lov til å ha en begrenset (men svak) interaksjon med en strålende art som fotoner eller nøytrinoer," sa Dr. Bose. "Denne koblingen etterlater et ganske unikt avtrykk i universets" klumpighet "på tidlige tider, noe som er ganske mye annerledes enn hva som kan forventes om Dark Matter var en kald partikkel."
For å teste dette kjørte teamet moderne kosmologiske simuleringer i superdatamaskinene ved Harvard og University of Island. Disse simuleringene vurderte hvordan galaksedannelse ville bli påvirket av tilstedeværelsen av både varme og mørke saker fra omtrent 1 milliard etter Big Bang til 14 milliarder år (omtrent i dag). Dr. Bose indikerte:
“[W] e kjørte datasimuleringer for å generere erkjennelser av hvordan dette universet kan se ut etter 14 milliarder år med evolusjon. I tillegg til å modellere Dark Matter-komponenten, inkluderte vi også topp moderne resepter for stjernedannelse, effekten av supernovaer og sorte hull, dannelsen av metaller etc.”
Teamet sammenlignet deretter resultatene med hverandre for å identifisere karakteristiske signaturer som ville skille hverandre fra hverandre. Det de fant var at for mange simuleringer var effekten av dette interaktive Dark Matter for lite til å bli lagt merke til. Imidlertid var de til stede på noen forskjellige måter, spesielt på den måten at fjerne galakser er fordelt over hele rommet.
Denne observasjonen er spesielt interessant fordi den kan testes i fremtiden ved bruk av neste generasjons instrumenter. "Måten å gjøre dette på er å kartlegge universets klumpe på disse tidlige tider ved å se på fordelingen av hydrogengass," forklarte Dr. Bose. "Observasjonelt sett er dette en veletablert teknikk: vi kan undersøke nøytralt hydrogen i det tidlige universet ved å se på spektraene til fjerne galakser (vanligvis kvasarer)."
Kort sagt, lys som reiser til oss fra fjerne galakser, må passere gjennom det intergalaktiske mediet. Hvis det er mye nøytralt hydrogen i det mellomliggende medium, vil utslippslinjene fra galaksen bli absorbert delvis, mens de vil være uhindret hvis det er lite. Hvis Dark Matter virkelig er kaldt, vil det dukke opp i form av en mye "klumpere" fordeling av hydrogengass, mens et WDM-scenario vil resultere i svingende klumper.
For tiden har ikke astronomiske instrumenter den nødvendige oppløsningen for å måle hydrogengass-svingninger i det tidlige universet. Men som Dr. Bose antydet, denne forskningen kunne gi drivkraft for nye eksperimenter og nye fasiliteter som vil være i stand til å gjøre disse observasjonene.
For eksempel IR-instrument som James Webb romteleskop (JWST) kan brukes til å lage nye kart over fordelingen av hydrogengassabsorpsjon. Disse kartene vil kunne bekrefte påvirkning fra interaktivt Dark Matter eller utelukke det som en kandidat. Det er også håpet at denne forskningen vil inspirere folk til å tenke på kandidater utover de som allerede er vurdert.
Til slutt, sa Dr. Bose, kommer den virkelige verdien av det faktum at denne typen teoretiske forutsigelser kan anspore observasjoner til nye grenser og teste grensene for det vi tror vi vet. "Og det er alt det vitenskapen egentlig er," la han til, "lage en prediksjon, foreslå en metode for å teste det, utføre eksperimentet og deretter begrense / utelukke teorien!"
