Починаючи з "Золотого століття загальної відносності" в 1960-х, вчені вважають, що значна частина Всесвіту складається з загадкової невидимої маси, відомої як "Темна матерія". Відтоді вчені намагаються розгадати цю таємницю двостороннім підходом. З одного боку, астрофізики намагалися знайти частинку-кандидата, яка могла б скласти цю масу.
З іншого боку, астрофізики намагалися знайти теоретичну основу, яка могла б пояснити поведінку Темного Маттера. Поки дебати зосереджувались на питанні, "гаряча" чи "холодна", холодна насолоджуючись перевагою через свою відносну простоту. Однак, нове дослідження, проведене під керівництвом Гарвард-Смітсонівського центру астрофізики (CfA)
Це ґрунтувалося на космологічних моделюваннях утворення галактик за допомогою моделі Всесвіту, яка включала інтерактивну Темну Матерію. Моделювання проводили міжнародна команда дослідників з CfA, Інституту астрофізики та космічних досліджень MIT, MIT, Інституту астрофізики Лейбніца в Потсдамі та багатьох університетів. Дослідження нещодавно з'явилося в Щомісячні повідомлення Королівського астрономічного товариства.
Коли справа доходить до неї, Темна матерія має бути відповідним чином названа. Для початківців вона становить близько 84% маси Всесвіту, але не випромінює, не поглинає і не відбиває світло або будь-яку іншу відому форму випромінювання. По-друге, він не має електромагнітного заряду і не взаємодіє з іншою речовиною, крім сили тяжіння, найслабшої з чотирьох основних сил.
По-третє, він не складається з атомів або їх звичайних будівельних блоків (тобто електронів, протонів та нейтронів), що сприяє його загадковості. Як результат, вчені теоретизують, що вона повинна складатися з якогось нового виду речовини, що відповідає законам Всесвіту, але не виявляється у звичайних дослідженнях фізики частинок.
Незалежно від його справжньої природи, Темна матерія мала глибокий вплив на еволюцію космосу приблизно з 1 мільярда років після Великого вибуху. Насправді, як вважається, він зіграв ключову роль у всьому, від утворення галактик до розподілу випромінювання Космічного мікрохвильового фону (СМВ).
Більше того, космологічні моделі, що враховують роль Темної матерії, підкріплені спостереженнями цих двох дуже різних типів космічних структур. Крім того, вони відповідають таким космічним параметрам, як швидкість, з якою розширюється Всесвіт, на яку впливає загадкова невидима сила (відома як "Темна енергія").
В даний час найбільш широко прийняті моделі Dark Matter припускають, що він не взаємодіє з будь-якими іншими видами речовини або випромінювання (включаючи себе) поза впливом сили тяжіння, тобто, що це "холодно". Це те, що відоме як сценарій холодної темної матерії (CDM), який часто поєднується з теорією темної енергії (представленою Ламбдою) у вигляді космологічної моделі РКМ.
Ця теоретична форма Темної матерії також називається
«[CDM] є найбільш добре перевіреною та бажаною моделлю. Це передусім тому, що протягом останніх чотирьох десятиліть або близько того, люди наполегливо працювали над тим, щоб робити прогнози, використовуючи холодну Темну Матерію як стандартну парадигму - їх потім порівнюють з реальними даними - з висновком, що в цілому ця модель здатна відтворювати широке коло спостережуваних явищ у широкому діапазоні шкал ».
Як він це описує, сценарій холодної темної матерії став переможцем після численних симуляцій космічної еволюції, що проводилися за допомогою «гарячої темної матерії» - в даному випадку нейтрино. Це субатомні частинки, дуже схожі на an
Ці симуляції показали, що передбачувані розподіли виглядали не так, як це робить Всесвіт сьогодні », - додав Бозе. "З цієї причини почали вважати протилежну межу - частинки, які мають майже будь-яку швидкість при народженні (т.зв." холод "). Симуляції, які включали цього кандидата, набагато ближче відповідають сучасним спостереженням за Всесвітом.
«Після виконання тих же тестів кластеризації галактик, що і раніше, астрономи виявили вражаючу угоду між імітованими та спостережуваними всесвітами. У наступні десятиліття холодна частинка була випробувана за допомогою більш жорстких, нетривіальних випробувань, ніж просто кластеризація галактик, і вона, як правило, передала кожну з них літаючими кольорами ".
Іншим джерелом привабливості є той факт, що холодна Темна Матерія (принаймні теоретично) повинна виявлятися прямо чи опосередковано. Однак саме тут МЧР стикається з проблемою, оскільки всі спроби виявлення однієї частинки поки що не вдалися. Таким чином, космологи взяли до уваги інших можливих кандидатів, які мали б ще менші рівні взаємодії з іншою речовиною.
Це те, що Совнак Босе, астроном із CfA, прагнув визначити зі своєю командою дослідників. Заради свого дослідження вони зосередилися на «теплому» кандидаті в «Темну матерію». Цей тип частинок мав би можливість тонко взаємодіяти з дуже легкими частинками, які рухаються близько до швидкості світла, хоча і менше, ніж більш "інтерактивний" гарячий "різновид.
Зокрема, він міг би взаємодіяти з нейтрино, колишнім переднім учасником сценарію HDM. Нейтрино вважається дуже поширеним під час гарячого раннього Всесвіту, тому наявність взаємодіючої Темної матерії мала б сильний вплив.
"У цьому класі моделей частинка Темної матерії може мати обмежену (але слабку) взаємодію з випромінюючими видами, такими як фотони або нейтрино", - сказав доктор Бозе. "Це з'єднання залишає досить унікальний відбиток у" пишності "Всесвіту в ранні часи, що досить сильно відрізняється від того, що можна було б очікувати, якби Темна матерія була холодною частинкою".
Щоб перевірити це, команда провела найсучасніші космологічні імітації у суперкомп'ютерних спорудах Гарварду та Університету Ісландії. Ці симуляції розглядали, як на формування галактики впливатиме присутність як теплої, так і темної матерії приблизно від 1 мільярда після Великого вибуху до 14 мільярдів років (приблизно сьогодні). Казав, доктор Бозе вказав:
“[W] провели комп'ютерні симуляції, щоб генерувати уявлення про те, як може виглядати ця Всесвіт після 14 мільярдів років еволюції. Окрім моделювання компонента Dark Matter, ми також включили новітні рецепти щодо утворення зірок, впливу наднових та чорних дір, утворення металів тощо.”
Потім команда порівнювала результати один з одним, щоб визначити характерні підписи, які відрізняли б один від іншого. Вони виявили, що для багатьох симуляцій ефекти цієї інтерактивної Темної матерії були занадто малі, щоб бути помітними. Однак вони були присутні деякими виразними способами, особливо в тому, що віддалені галактики розподіляються по простору.
Це спостереження особливо цікаве, оскільки його можна буде перевірити в майбутньому за допомогою інструментів наступного покоління. "Спосіб це зробити - картографувати грубість Всесвіту в наші ранні часи, дивлячись на розподіл газу водню", - пояснив доктор Бозе. "Спостережно, це добре налагоджена методика: ми можемо зондувати нейтральний водень у ранньому Всесвіті, дивлячись на спектри віддалених галактик (зазвичай квазарів)".
Коротше кажучи, світло, що прямує до нас із далеких галактик, має проходити через міжгалактичне середовище. Якщо в проміжному середовищі багато нейтрального водню, лінії викидів з галактики будуть частково поглинені, тоді як вони будуть безперешкодно, якщо мало. Якщо Темна матерія по-справжньому холодна, вона проявиться у вигляді значно «кускового» розподілу водню газу, тоді як сценарій WDM призведе до коливальних грудочок.
В даний час астрономічні прилади не мають необхідної роздільної здатності для вимірювання коливань водневого газу в ранньому Всесвіті. Але, як зазначив доктор Бозе, це дослідження може дати поштовх для нових експериментів та нових засобів, які могли б зробити ці спостереження.
Наприклад, ІЧ-інструмент, як Космічний телескоп Джеймса Вебба (JWST) можна було б використовувати для створення нових карт розподілу поглинання водню газу. Ці карти зможуть або підтвердити вплив інтерактивної Темної матерії, або виключити її як кандидата. Також можна сподіватися, що це дослідження надихне людей думати про кандидатів понад тих, що вже були розглянуті.
Врешті-решт, сказав доктор Боз, реальна цінність випливає з того, що подібні теоретичні прогнози можуть підштовхувати спостереження до нових кордонів і перевіряти межі того, що ми думаємо, що ми знаємо. "І це все, що насправді є наукою", - додав він, "роблячи передбачення, пропонуючи метод тестування, проведення експерименту, а потім обмеження / виключення теорії!"
