Nowe dane naukowe pokazują, że ciemna materia jest dziwniejsza, niż sądziliśmy

Z tego, co wiedzą naukowcy, widoczne jest tylko 5% Wszechświata, w tym Ziemia, Słońce, inne gwiazdy i galaktyki, które składają się z protonów, neutronów i elektronów upakowanych w atomy. Reszta, według NASA, składa się z niewidzialnej substancji zwanej ciemną materią (27%) i siły odpychającej grawitację, zwanej ciemną energią (68%).

Niedawno naukowcy pracowali nad przepisem na powstawanie galaktyk, przeprowadzając symulacje komputerowe, wykorzystując naszą wiedzę o ewolucji Wszechświata, ale modyfikując zachowanie ciemnej materii, aby zobaczyć, co może się wydarzyć. Ciemna materia okazuje się dziwniejsza, niż sądziliśmy.

Więcej informacji: Grupa Lisanti

Niektórzy astronomowie zwrócili się ostatnio w stronę szeroko znanych teorii złożonej ciemnej materii

Kredyty obrazkowe: NASA

Kredyty obrazkowe: NASA

Najlepszy model kosmologiczny tego, jak Wszechświat przyjął dzisiejszą formę, nazywa się lambda-CDM. Ten matematyczny model teorii Wielkiego Wybuchu zakłada, że ​​Wszechświat składa się z 3 składników: zwykłej materii, wciąż tajemniczej energii zwanej ciemną energią i zimnej ciemnej materii.

Z powodu pewnych problemów z teoriami zimnej ciemnej materii niektórzy astronomowie i naukowcy zwrócili się ku złożonym modelom ciemnej materii. Niektóre obejmują mieszaninę zimnych i ciepłych składników ciemnej materii, podczas gdy inne obejmują wzajemne oddziaływanie, rozkład lub zniszczenie ciemnej materii.

W scenariuszach zimnej ciemnej materii cząstki oddziałują wyłącznie poprzez grawitację, ale w wielu z tych zbiegających się nowych pomysłów możliwe są inne interakcje.

Mariangela LisantiFizyczka cząstek elementarnych z Uniwersytetu Princeton i jej zespół udoskonalają przepis na powstawanie galaktyk, przeprowadzając symulacje komputerowe, wykorzystując naszą wiedzę o ewolucji Wszechświata, ale modyfikując zachowanie ciemnej materii, aby zobaczyć, jakie będą rezultaty. Naukowcy próbują dowiedzieć się, co by się stało, gdyby ciemna materia była bardziej złożona, niż zwykle zakładają. Lisanti zastąpił niewielką część standardowej ciemnej materii czymś bardziej syntetycznym. „Myśleliśmy, że dodamy tylko 5 procent i wszystko będzie dobrze, a potem rozwalimy galaktykę”.

Kredyty obrazkowe: Luźny

Kredyty obrazkowe: NASA

Zespół odkrył, że przekształcenie zaledwie 5% zimnej ciemnej materii w bardziej złożone typy uniemożliwiło uformowanie Drogi Mlecznej. „Myślę, że to była interesująca lekcja. Musimy być bardzo ostrożni, gdy myślimy o nowych modelach. Nie trzeba dodawać wielu innych form ciemnej materii do swoich modeli, aby zepsuć astrofizykę” – wyjaśnił Lisanti.

Lisanti i jej współpracownicy nie są jedynymi, którzy próbują rozwiązać zagadkę ciemnej materii. David Curtin, teoretyk z Uniwersytetu w Toronto w Kanadzie, pracuje nad inną formą supersymetrii. Zakłada przekształcenie całej materii w bliźniaczy zestaw cząstek: każda z własnym zestawem sił, zamiast utrzymywania tych samych sił. Oznacza to, że bliźniacze cząstki nie mogą oddziaływać ze swoimi klasycznymi kuzynami za pomocą sił innych niż grawitacja, czyniąc je ciemną materią, a mimo to mogą oddziaływać ze sobą.

Curtin nazywa tę atomową ciemną materię. „Atomowa ciemna materia jest bardzo podobna do naszej; Wyjaśnił, że ochładza się, zapada, tworzy dyski i tworzy gwiazdy – ciemne gwiazdy. Może się to wydawać dziwną koncepcją, ale niewidzialna galaktyka będzie miała unikalną sygnaturę, którą będziemy mogli zobaczyć za pomocą przyszłych teleskopów.

Jeśli badacz ma rację, ciemne gwiazdy utworzą przypominającą dysk strukturę galaktyczną, która będzie grawitacyjnie zaginać światło w procesie zwanym mikrosoczewkowaniem, którego efekt powoduje chwilowe rozjaśnienie gwiazd tła. „Jeśli znajdziesz sygnał mikrosoczewkowania, który znajduje się w środku dysku Drogi Mlecznej, jest to bardzo wyraźny dowód na istnienie ciemnej materii atomowej” – wyjaśnił Curtin.

Mark Vogelsberger z MIT i Alison Brooks z Rutgers University w New Jersey robią coś podobnego: testują wiele możliwych kombinacji cząstek i sił ciemnej materii, aby znaleźć przepis, który produkuje galaktyki takie jak te, które obserwujemy.

Chociaż naukowcy zmierzyli, że ciemna materia stanowi około 27% Wszechświata, nadal nie są pewni, co to jest

Kredyty obrazkowe: Obserwatorium Very C. Rubin

Kredyty obrazkowe: Obserwatorium Very C. Rubin

Chociaż naukowcy wciąż pracują nad koncepcją ciemnej materii, warto wspomnieć, że aż do XX wieku astronomowie nie byli świadomi istnienia tego tajemniczego zjawiska.

Ciemną materię po raz pierwszy wydedukował szwajcarsko-amerykański astronom Fritza Zwicky’ego. W 1933 roku odkryto, że masa wszystkich gwiazd w gromadzie Coma wynosiła… Galaktyki zapewniły jedynie około 1% masy potrzebnej, aby zapobiec ucieczce galaktyk przed grawitacją masy. Brakująca masa pozostawała kwestią sporną przez dziesięciolecia, aż do lat 70. XX wieku, kiedy odkryli ją amerykańscy astronomowie Wiera Rubin i W. Kent Ford potwierdził jego istnienie obserwując podobne zjawisko.

W latach 70. XX wieku astronom Vera Rubin obserwowała Galaktykę Andromedy i odkryła, że ​​ma ona „płaską krzywą rotacji”: zewnętrzne części galaktyki obracają się z tą samą prędkością co części wewnętrzne, podczas gdy nasze rozumienie grawitacji mówi, że obszary zewnętrzne powinny się wokół niego obracać. Obraca się wolniej, jeśli jedyną masą są gwiazdy. Oznacza to, że w galaktyce kryje się więcej, niż mogłoby się wydawać.

Następnie badania Jamesa Peeblesa przeprowadzone w 1973 roku wraz z innym astrofizykiem Jerrym Ostrikerem wykazały, że galaktyki dyskowe, takie jak nasza Droga Mleczna czy Andromeda, nie mogłyby być stabilne, gdyby nie były osadzone w gigantycznych halo ciemnej materii.

W 1984 roku amerykańska astrofizyczka Sandra Faber opisała ewolucję zimnego Wszechświata zdominowanego przez ciemną materię. Ona i jej ówczesni współpracownicy przedstawili szczegółowy opis powstawania gromad kulistych, galaktyk i gromad galaktyk, a nawet omówili możliwych kandydatów na zimną ciemną materię Jamesa Peeblesa.

Niektóre złożone modele obejmują mieszaninę zimnych i ciepłych składników ciemnej materii, podczas gdy inne obejmują wzajemne oddziaływanie, rozpad lub anihilację ciemnej materii

Kredyty obrazkowe: Obserwatorium Very C. Rubin

reklama

Kredyty obrazkowe: Obserwatorium Very C. Rubin

Kredyty obrazkowe: Obserwatorium Very C. Rubin

Bliższe badanie struktury Wszechświata dało ostatnio nowe powody, aby wątpić w zimną ciemną materię. Ich koncepcja może dobrze sprawdzić się w większych skalach, ale w skali poszczególnych galaktyk coś wydaje się niekompletne.

Zgodnie z modelem zimnej ciemnej materii, podhala ciemnej materii powinny istnieć we wszystkich rozmiarach, aż do skupisk wielkości Ziemi. Byłoby to mnóstwo niewidzialnych pocisków artyleryjskich unoszących się wokół Drogi Mlecznej wchodzących w interakcję ze strumieniami gwiazd, a mimo to nie znaleziono prawie żadnych dowodów, z wyjątkiem roku 2018, kiedy Adrian Price Whelan i Anna Bonacca odkryli, że określony strumień gwiazd jest, cóż, lepszy znany. Podobnie jak GD-1 ma szczeliny na całej długości, jakby został uderzony kilka razy.

Kolejną wątpliwością co do koncepcji zimnej materii jest to, że symulacje pokazują, że aureole powinny gęstnieć w kierunku centrum galaktyki: im bliżej centrum, tym więcej ciemnej materii przypada na jednostkę objętości. Kiedy jednak astronomowie przyglądają się sposobowi poruszania się galaktyk, nie widzą tego: ciemna materia wydaje się równomiernie rozmieszczona w halo naszej galaktyki, zwłaszcza w obszarach jądra. Co może świadczyć o tym, że dzieje się coś bardziej skomplikowanego.

Pomimo wszystkich nowych podejść do ciemnej materii i wysiłków, aby zobaczyć ją w bardziej wyrafinowany sposób, niektórzy naukowcy i astronomowie, na przykład profesor astrofizyki teoretycznej Mike Boylan-Kolcinari, nadal są bardzo ostrożni w odrzucaniu koncepcji zimnej ciemnej materii. „Istnieje wiele drobnych oznak wskazujących, że sprawy nie są przynajmniej tak proste, jak mogłoby się wydawać, ale nie jest jasne, czy w ciemnej materii dzieje się coś bardziej złożonego” – wyjaśnił.

Naukowcy testują wiele możliwych kombinacji cząstek i sił ciemnej materii, aby znaleźć przepis, który pozwoli na powstanie galaktyk podobnych do tych, które obserwujemy.

Kredyty obrazkowe: Obserwatorium Very C. Rubin

Kredyty obrazkowe: Obserwatorium Very C. Rubin

Kredyty obrazkowe: Obserwatorium Very C. Rubin

Kredyty obrazkowe: Obserwatorium Very C. Rubin

Naukowcy mają wiele pomysłów na to, czym jest ciemna materia, od pionierskiej hipotezy, że ciemna materia składa się z egzotycznych cząstek, które nie oddziałują ze zwykłą materią ani światłem, ale nadal wywierają grawitację, po pomysły, że efekty ciemnej materii można wyjaśnić… Zasadnicza modyfikacja nasze teorie grawitacji.

Nowy sposób postrzegania ciemnej materii jako złożonej może być tak prosty, jak cząstki subatomowe odbijające się od siebie, lub tak złożony, jak rodziny ciemnych cząstek tworzących ciemne atomy, gwiazdy, a nawet galaktyki.

Antoine de Saint-Exupéry powiedział: „To, co konieczne, jest niewidoczne dla oczu” i myślę, że ma rację. Być może naukowcy powinni zaufać swojej intuicji i kontynuować symulacje, aby sprawdzić, czy w naszym wszechświecie może istnieć złożona ciemna materia, która mogłaby zmienić naszą percepcję z jądra.

Ludzie dzielili się przemyśleniami na temat tajemniczej mocy ciemnej materii, która od wieków fascynuje naukowców i astronomów