Sedan "Golden Age of General Relativity" på 1960-talet har forskare hävdat att mycket av universum består av en mystisk osynlig massa som kallas "Dark Matter". Sedan dess har forskare försökt lösa detta mysterium med en dubbelsträngad strategi. Å ena sidan har astrofysiker försökt hitta en kandidatpartikel som kan stå för denna massa.
Å andra sidan har astrofysiker försökt hitta en teoretisk grund som kan förklara Dark Matter: s beteende. Hittills har debatten koncentrerat sig på frågan om det är "varmt" eller "kallt", med kyla som åtnjuter en fördel på grund av dess relativa enkelhet. Men en ny studie genomförd under ledning av Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA)
Detta baserades på kosmologiska simuleringar av galaxbildning genom att använda en modell av ett universum som inkluderade interaktiva Dark Matter. Simuleringarna genomfördes av ett internationellt team av forskare från CfA, MIT: s Kavli Institute for Astrophysics and Space Research, Leibniz Institute for Astrophysics Potsdam och flera universitet. Studien dök nyligen upp i Månadsmeddelanden från Royal Astronomical Society.
När det gäller det, heter Dark Matter på lämpligt sätt. Till att börja med utgör den cirka 84% av universumets massa men varken avger, absorberar eller reflekterar ljus eller någon annan känd form av strålning. För det andra har den ingen elektromagnetisk laddning och interagerar inte med annan materia förutom genom tyngdkraften, den svagaste av de fyra grundläggande krafterna.
För det tredje består den inte av atomer eller deras vanliga byggstenar (dvs. elektroner, protoner och neutroner), vilket bidrar till dess mystiska natur. Som ett resultat teoretiserar forskare att det måste bestå av någon ny typ av materia som överensstämmer med universums lagar men inte dyker upp i konventionell partikelfysikforskning.
Oavsett dess sanna natur har Dark Matter haft ett stort inflytande på kosmos utveckling sedan ungefär 1 miljard år efter Big Bang och framåt. I själva verket tros det ha spelat en nyckelroll i allt från bildandet av galaxer till distributionen av CMB-strålningen (Cosmic Microwave Background).
Dessutom är kosmologiska modeller som tar hänsyn till den roll som spelas av Dark Matter säkerhetskopierade av observationer av dessa två mycket olika typer av kosmiska strukturer. Dessutom överensstämmer de med kosmiska parametrar som den hastighet med vilken universum expanderar, vilket själv påverkas av en mystisk, osynlig kraft (känd som ”Dark Energy”).
För närvarande antar de mest accepterade modellerna av Dark Matter att det inte interagerar med någon annan typ av materia eller strålning (inklusive sig själv) utöver påverkan av tyngdkraften - dvs att det är "kallt". Detta är vad som kallas CDM-scenariot (Dark Dark Matter), som ofta kombineras med teorin om Dark Energy (representerad av Lambda) i form av LCDM: s kosmologiska modell.
Denna teoretiska form av Dark Matter kallas också
”[CDM] är den mest testade och den föredragna modellen. Detta beror främst på att människor under de senaste fyra decennierna har arbetat hårt för att göra förutsägelser med hjälp av kalla Dark Matter som standardparadigmet - dessa jämförs sedan med verkliga data - med den upptäckten att denna modell i allmänhet kan reproducera ett brett spektrum av observerade fenomen över ett brett spektrum av skalor. ”
Som han beskriver det blev det kalla Dark Matter-scenariot den främsta löparen efter att numeriska simuleringar av kosmisk utveckling genomfördes med "heta Dark Matter" - i detta fall neutrinoen. Dessa är subatomära partiklar som liknar en
Dessa simuleringar visade att de förutsagda distributionerna såg inte ut något som universum gör idag, ”tilllade Bose. "Av den anledningen började man tänka på den motsatta gränsen, partiklar som knappt har någon hastighet när de föddes (alias" kalla "). Simuleringar som inkluderade denna kandidat passar moderna observationer av universum mycket närmare.
”Efter att ha utfört samma galaxklustertest som tidigare, fann astronomer ett häpnadsväckande avtal mellan de simulerade och observerade universum. Under de kommande decennierna har den kalla partikeln testats genom strängare, icke-triviala tester än helt enkelt galaxklustering, och den har i allmänhet passerat var och en av dessa med flygande färger. ”
En annan källa till överklagande är det faktum att kalla Dark Matter (åtminstone teoretiskt) borde vara detekterbara antingen direkt eller indirekt. Men det är här som CDM stöter på problem eftersom alla försök att upptäcka en enda partikel hittills har misslyckats. Som sådan har kosmologer tagit hänsyn till andra möjliga kandidater som skulle ha ännu mindre nivåer av interaktion med andra ämnen.
Detta är vad Sownak Bose, en astronom med CfA, försökte bestämma med sitt forskarlag. För sin studie fokuserade de på en "varm" Dark Matter-kandidat. Denna typ av partikel kan ha förmågan att interaktivt interagera med mycket ljuspartiklar som rör sig nära ljusets hastighet, men mindre än den mer interaktiva "heta" sorten.
I synnerhet kan det vara i stånd att interagera med neutrino, den tidigare front-löparen för HDM-scenariot. Neutrino tros ha varit mycket utbredd under det heta tidiga universum, så närvaron av interagerande Dark Matter skulle ha haft ett starkt inflytande.
"I denna klass av modeller får Dark Matter-partikeln få en begränsad (men svag) interaktion med en strålande art som fotoner eller neutrino," sade Dr. Bose. "Denna koppling lämnar ett ganska unikt avtryck i universums" klumpighet "vid tidiga tider, vilket är ganska mycket annorlunda än vad som kan förväntas om Dark Matter var en kall partikel."
För att testa detta körde teamet toppmodern kosmologiska simuleringar i superdatoranläggningarna vid Harvard och University of Island. Dessa simuleringar övervägde hur galaxbildningen skulle påverkas av närvaron av både varm och mörk materia från cirka 1 miljard efter Big Bang till 14 miljarder år (ungefär den nuvarande). Sade Dr. Bose indikerade:
”[W] e körde datorsimuleringar för att generera insikter om hur detta universum kan se ut efter 14 miljarder år med utveckling. Förutom att modellera Dark Matter-komponenten inkluderade vi också modernaste recept för stjärnbildning, effekterna av supernovaer och svarta hål, bildandet av metaller etc.”
Teamet jämförde sedan resultaten med varandra för att identifiera karakteristiska signaturer som skulle skilja den ena från den andra. Vad de fann var att för många simuleringar var effekterna av detta interaktiva Dark Matter för små för att märkas. Men de var närvarande på vissa distinkta sätt, särskilt på det sätt som avlägsna galaxer är fördelade över rymden.
Denna observation är särskilt intressant eftersom den kan testas i framtiden med nästa generations instrument. "Sättet att göra detta är att kartlägga universums klumpighet vid dessa tidiga tider genom att titta på distributionen av vätgas," förklarade Dr. Bose. "Observativt är detta en väletablerad teknik: vi kan undersöka neutralt väte i det tidiga universum genom att titta på spektra för avlägsna galaxer (vanligtvis kvasarer)."
Kort sagt, ljus som reser till oss från avlägsna galaxer måste passera genom det intergalaktiska mediet. Om det finns mycket neutralt väte i det mellanliggande mediet, kommer emissionerna från galaxen att absorberas delvis, medan de kommer att hindras om det är lite. Om Dark Matter verkligen är kallt, kommer det att dyka upp i form av en mycket "klumpigare" distribution av vätgas, medan ett WDM-scenario kommer att resultera i oscillerande klumpar.
För närvarande har astronomiska instrument inte den nödvändiga upplösningen för att mäta vätgasgasoscillationer i det tidiga universum. Men som Dr. Bose antydde, kunde denna forskning ge drivkraft för nya experiment och nya anläggningar som skulle kunna göra dessa observationer.
Till exempel IR-instrument som James Webb rymdteleskop (JWST) skulle kunna användas för att skapa nya kartor över fördelningen av vätgasupptag. Dessa kartor skulle antingen kunna bekräfta påverkan av interaktivt Dark Matter eller utesluta det som en kandidat. Man hoppas också att denna forskning kommer att inspirera människor att tänka på kandidater utöver de som redan har beaktats.
I slutändan, sade Dr. Bose, kommer det verkliga värdet av det faktum att dessa typer av teoretiska förutsägelser kan stimulera observationer till nya gränser och testa gränserna för vad vi tror att vi vet. "Och det är allt som vetenskapen egentligen är," tillade han, "göra en förutsägelse, föreslå en metod för att testa det, utföra experimentet och sedan begränsa / utesluta teorin!"
