1960-luvun ”yleisen suhteellisuuden kultakauden” jälkeen tutkijat ovat todenneet, että suuri osa maailmankaikkeudesta koostuu salaperäisestä näkymättömästä massasta, joka tunnetaan nimellä “Dark Matter”. Siitä lähtien tutkijat ovat yrittäneet ratkaista tämän mysteerin kaksisuuntaisella lähestymistavalla. Yhtäältä astrofysiikit ovat yrittäneet löytää ehdokaspartikkelin, joka voisi ottaa huomioon tämän massan.
Toisaalta astrofysiikit ovat yrittäneet löytää teoreettisen perustan, joka voisi selittää Dark Matterin käyttäytymisen. Toistaiseksi keskustelu on keskittynyt kysymykseen siitä, onko se ”kuuma” vai ”kylmä”, ja kylmällä on reuna suhteellisen yksinkertaisuuden vuoksi. Uusi tutkimus, jota johtaa Harvard-Smithsonian Astrophysics Center (CfA)
Tämä perustui galaktien muodostumisen kosmologisiin simulaatioihin käyttämällä mallia maailmankaikkeudesta, joka sisälsi interaktiivisen pimeän aineen. Simulaatiot toteutti kansainvälinen tutkijaryhmä CfA: sta, MIT: n Kavlin astrofysiikan ja avaruuden tutkimuksen instituutista, Leibnizin astrofysiikan instituutista Potsdamista ja useista yliopistoista. Tutkimus ilmestyi äskettäin Kuukausittaiset ilmoitukset Royal Astronomical Society -tapahtumasta.
Kun se tulee siihen, Dark Matter on asianmukaisesti nimetty. Ensinnäkin se muodostaa noin 84% maailmankaikkeuden massasta, mutta se ei säteile, absorboi tai heijasta valoa tai muuta tunnettua säteilymuotoa. Toiseksi, siinä ei ole sähkömagneettista varausta eikä se ole vuorovaikutuksessa muiden aineiden kanssa paitsi painovoiman kautta, joka on heikoin neljästä perusvoimasta.
Kolmanneksi, se ei koostu atomista tai niiden tavanomaisista rakennuspalikoista (ts. Elektroneista, protoneista ja neutroneista), mikä myötävaikuttaa sen salaperäiseen luonteeseen. Seurauksena on, että tutkijat teoriassa väittävät, että sen on oltava jonkinlaista uutta ainetta, joka on maailmankaikkeuden lakien mukainen, mutta jota ei näytetä tavanomaisessa hiukkasfysiikan tutkimuksessa.
Riippumatta sen todellisesta luonteesta, Dark Matterilla on ollut merkittävä vaikutus kosmoksen kehitykseen noin miljardin vuoden kuluttua Ison räjähdyksen jälkeen. Itse asiassa sen uskotaan toimineen avainasemassa kaikessa galaksien muodostumisesta kosmisen mikroaaltotaustan (CMB) säteilyn jakautumiseen.
Lisäksi kosmologisia malleja, joissa otetaan huomioon Dark Matterin rooli, havainnoidaan näitä kahta hyvin erityyppistä kosmista rakennetta. Ne ovat myös yhdenmukaisia kosmisten parametrien kanssa, kuten nopeus, jolla maailmankaikkeus kasvaa, mihin itse vaikuttaa salaperäinen, näkymätön voima (tunnetaan nimellä “Dark Energy”).
Tällä hetkellä Dark Matterin laajimmin hyväksytyissä malleissa oletetaan, että se ei ole vuorovaikutuksessa minkään muun aineen tai säteilyn (mukaan lukien itsensä) kanssa painovoiman vaikutuksen ulkopuolella - ts. Että se on ”kylmä”. Tätä kutsutaan kylmän pimeyden aiheena (CDM), joka usein yhdistetään pimeän energian teoriaan (edustaa Lambda) LCDM-kosmologisen mallin muodossa.
Tähän Dark Matterin teoreettiseen muotoon viitataan myös
”[CDM] on parhaiten testattu ja ensisijainen malli. Tämä johtuu pääasiassa siitä, että viimeisen neljän vuosikymmenen aikana ihmiset ovat työskennelleet ahkerasti ennusteiden tekemisessä käyttämällä vakiona kylmää pimeää ainetta - näitä verrataan sitten todellisiin tietoihin - havainnolla, että yleensä tämä malli kykenee jäljentää laaja valikoima havaittuja ilmiöitä laajalla asteikolla. "
Kuten hän kuvaa, kylmä Dark Matter -skenaariosta tuli eturintamassa sen jälkeen, kun kosmisen evoluution numeeriset simulaatiot suorittivat ”kuumaa Dark Matteria” - tässä tapauksessa neutriinoa. Nämä ovat subatomisia hiukkasia, jotka ovat hyvin samanlaisia kuin
Nämä simulaatiot osoittivat, että ennustetut jakaumat eivät näyttäneet miltä tahansa siltä, mitä maailmankaikkeus tekee tänään ”, Bose lisäsi. ”Tästä syystä alettiin harkita päinvastaista rajaa, hiukkasia, joilla ei juuri ole nopeutta syntyessään (alias.” Kylmä ”). Tämän ehdokkaan sisältävät simulaatiot sopivat nykyaikaisempiin maailmankaikkeuden havaintoihin paljon tarkemmin.
”Suoritettuaan samat galaksiryhmittelytestit kuin ennen, tähtitieteilijät löysivät yllättävän sopimuksen simuloitujen ja havaittujen universumien välillä. Seuraavina vuosikymmeninä kylmähiukkaset on testattu tiukempilla, ei-triviaaleilla testeillä kuin pelkästään galaksiryhmittelyllä, ja se on yleensä läpäissyt jokaisen näistä lentävillä väreillä. "
Toinen valituslähde on se, että kylmän pimeän aineen (ainakin teoreettisesti) pitäisi olla havaittavissa joko suoraan tai epäsuorasti. CDM joutuu kuitenkin tässä kohtaa vaikeuksiin, koska kaikki yritykset toistaiseksi havaita yksi hiukkanen ovat tähän mennessä epäonnistuneet. Sellaisenaan kosmologit ovat ryhtyneet pohtimaan muita mahdollisia ehdokkaita, joiden vuorovaikutus muiden aineiden kanssa olisi vielä pienempi.
Tämän CfA: n tähtitieteilijä Sownak Bose yritti selvittää tutkijaryhmänsä kanssa. He keskittyivät tutkimuksensa vuoksi ”lämpimään” Dark Matter -ehdokkaaseen. Tämän tyyppisellä hiukkasella olisi kyky hienovaraisesti olla vuorovaikutuksessa erittäin kevyiden hiukkasten kanssa, jotka liikkuvat lähellä valon nopeutta, vaikkakin vähemmän kuin vuorovaikutteisempi ”kuuma” lajike.
Erityisesti se voisi kyetä toimimaan vuorovaikutuksessa neutriinojen kanssa, entinen HDM-skenaarion eturintamassa. Neutrinojen uskotaan olleen erittäin yleisiä kuuman varhaisen maailmankaikkeuden aikana, joten vuorovaikutteisten tummien aineiden läsnäololla olisi ollut voimakas vaikutus.
"Tässä malliluokassa Dark Matter -hiukkasten sallitaan olevan rajallinen (mutta heikko) vuorovaikutus säteilevien lajien, kuten fotonien tai neutriinojen kanssa", tohtori Bose sanoi. "Tämä kytkentä jättää varsin ainutlaatuisen jäljennöksen universumin" möykkyyteen "varhaisina aikoina, mikä on melko paljon erilainen kuin mitä voidaan odottaa, jos Dark Matter olisi kylmä hiukkas."
Tämän testaamiseksi ryhmä suoritti huipputekniset kosmologiset simulaatiot Harvardin ja Islannin yliopiston supertietokonetaloissa. Näissä simulaatioissa pohdittiin, kuinka sekä lämpimän että pimeän aineen läsnäolo vaikuttaa galaksien muodostumiseen noin miljardista Ison räjähdyksen jälkeen 14 miljardiin vuoteen (suunnilleen nykyinen). Sanoi tohtori Bose ilmoittanut:
”[W] suoritti tietokonesimulaatioita saadakseen aikaan käsityksiä siitä, miltä tämä maailmankaikkeus voi näyttää 14 miljardin vuoden evoluution jälkeen. Dark Matter -komponentin mallinnuksen lisäksi sisällytimme myös huipputeknisiä määräyksiä tähtiä muodostumiseen, supernovien ja mustien reikien vaikutuksiin, metallien muodostumiseen jne.”
Sitten joukkue vertasi tuloksia toisiinsa tunnistaakseen tunnusomaiset allekirjoitukset, jotka erottaisivat toisistaan. He havaitsivat, että monien simulaatioiden yhteydessä tämän interaktiivisen tumman aineen vaikutukset olivat liian pieniä ollakseen havaittavissa. Ne olivat kuitenkin läsnä tietyllä tavalla, etenkin tavalla, jolla etäiset galaksit jakautuvat koko avaruuteen.
Tämä havainto on erityisen mielenkiintoinen, koska sitä voidaan testata tulevaisuudessa seuraavan sukupolven instrumenteilla. "Tapa tehdä tämä on kartoittaa maailmankaikkeuden tylsyys näinä varhaisina aikoina tarkastelemalla vetykaasun jakautumista", tohtori Bose selitti. "Havainnollisesti tämä on vakiintunut tekniikka: voimme koettaa neutraalin vedyn varhaisessa universumissa tarkastelemalla etäisten galaksien (yleensä kvaasarien) spektriä."
Lyhyesti sanottuna kaukaisista galakseista meille matkustavan valon on kuljettava galaktienvälisen väliaineen läpi. Jos väliaineessa on paljon neutraalia vetyä, galaksin päästöjohdot absorboituvat osittain, kun taas ne ovat esteettömiä, jos niitä on vähän. Jos Dark Matter on todella kylmä, se esiintyy paljon "yksinkertaisemman" vetykaasun jakautumisen muodossa, kun taas WDM-skenaario johtaa värähteleviin kokkareihin.
Tällä hetkellä tähtitieteellisillä instrumenteilla ei ole tarvittavaa resoluutiota mitata vetykaasuheilahteluja varhaisessa universumissa. Mutta kuten tohtori Bose totesi, tämä tutkimus voisi antaa impulssin uusille kokeille ja uusille laitteille, jotka pystyisivät tekemään näitä havaintoja.
Esimerkiksi IR-instrumentti kuten James Webbin avaruuskaukoputki (JWST) voitaisiin käyttää luomaan uusia karttoja vetykaasujen imeytymisen jakautumisesta. Nämä kartat pystyisivät joko vahvistamaan interaktiivisen Dark Matter -vaikutuksen tai sulkemaan sen pois ehdokkaana. Toivotaan myös, että tämä tutkimus inspiroi ihmisiä ajattelemaan ehdokkaita, jotka ovat jo harkittuja.
Loppujen lopuksi tohtori Bose totesi, että todellinen arvo saadaan siitä, että tällaiset teoreettiset ennusteet voivat kannustaa havaintoja uusiin rajoihin ja testata sen, mitä luulemme tietävämme. "Ja se on kaikki, mitä tiede on todella", hän lisäsi, "tekemällä ennusteen, ehdottamalla menetelmää sen testaamiseksi, kokeen suorittamiseksi ja sitten teorian rajoittamiseksi / sulkemiseksi pois!"
