Alates 1960. aastate “Üldise relatiivsuse kuldsest ajastust” on teadlased leidnud, et suur osa Universumist koosneb müstilisest nähtamatust massist, mida tuntakse “Dark Matter” nime all. Sellest ajast alates on teadlased püüdnud seda mõistatust lahendada kahesuunalise lähenemisviisiga. Ühelt poolt on astrofüüsikud püüdnud leida kandidaatosakese, mis selle massi moodustaks.
Teisest küljest on astrofüüsikud püüdnud leida teoreetilise aluse, mis võiks selgitada Dark Matteri käitumist. Siiani on arutelu keskendunud küsimusele, kas see on “kuum” või “külm”, külmal on selle suhtelise lihtsuse tõttu eelis. Uus uuring, mida juhtis Harvard-Smithsonian Astrofüüsika Keskus (CfA)
See põhines galaktikate moodustumise kosmoloogilistel simulatsioonidel, kasutades universumi mudelit, mis sisaldas interaktiivset tumedat ainet. Simulatsioone viis läbi rahvusvaheline teadlaste meeskond CfA-st, MIT-i Kavli astrofüüsika ja kosmoseuuringute instituudist, Leibnizi astrofüüsika instituudist Potsdamist ja mitmest ülikoolist. Uuring ilmus hiljuti ajakirjas Kuningliku Astronoomiaühingu igakuised teated.
Kui rääkida sellest, siis on Dark Matter sobivalt nimetatud. Alustuseks moodustab see umbes 84% universumi massist, kuid ei kiirga, neelab ega peegelda valgust ega muud teadaolevat kiirgusvormi. Teiseks, sellel pole elektromagnetilist laengut ja see ei interakteeru muude ainetega, välja arvatud gravitatsiooni kaudu, mis on neljast põhijõust kõige nõrgem.
Kolmandaks, see ei koosne aatomitest ega nende tavalistest ehitusplokkidest (st elektronid, prootonid ja neutronid), mis aitab kaasa selle salapärasele olemusele. Selle tulemusel teoreetivad teadlased, et see peab koosnema mingist uut laadi ainest, mis on küll kooskõlas Universumi seadustega, kuid mida tavapäraste osakeste füüsika uuringutes ei näidata.
Vaatamata tegelikule olemusele on Dark Matteril olnud umbes 1 miljard aastat pärast Suurt Pauku kosmose arengule sügav mõju. Tegelikult arvatakse, et sellel on olnud võtmeroll kõiges alates galaktikate moodustamisest kuni kosmilise mikrolaine fooni (CMB) kiirguse levimiseni.
Veelgi enam, Darm Matteri rolli arvestavaid kosmoloogilisi mudeleid toetavad vaatlused nende kahe väga erinevat tüüpi kosmilise struktuuri kohta. Samuti on need kooskõlas kosmiliste parameetritega, näiteks Universumi paisumise kiirusega, mida ise mõjutab salapärane, nähtamatu jõud (tuntud kui “Dark Energy”).
Praegu eeldavad Dark Matteri kõige laialdasemalt aktsepteeritud mudelid, et see ei interakteeru gravitatsiooni mõjul mitte mingisuguse muu aine ega kiirgusega (sh iseendaga) - st et see on „külm”. See on nn külma Dark Matter (CDM) stsenaarium, mida sageli kombineeritakse Pimeduse Energia teooriaga (esindab Lambda) LCDM-i kosmoloogilise mudeli kujul.
Sellele Dark Matter teoreetilisele vormile viidatakse ka kui
„[CDM] on kõige paremini testitud ja eelistatud mudel. Selle põhjuseks on eelkõige see, et umbes viimase nelja aastakümne jooksul on inimesed kõvasti tööd teinud ennustuste tegemisel, kasutades standardset paradigmat külm Dark Matter - neid võrreldakse siis reaalsete andmetega - leiuga, et üldiselt on see mudel võimeline reprodutseerida laia vaadeldava nähtuse ulatust laia skaala ulatuses. ”
Nagu ta seda kirjeldas, sai külm Dark Matter stsenaarium esikohaks pärast seda, kui kosmilise evolutsiooni numbrilised simulatsioonid viisid läbi “kuuma Dark Matteri” - antud juhul neutriino - abil. Need on subatomilised osakesed, mis on väga sarnased anatomiga
Need simulatsioonid näitasid, et ennustatud jaotused ei näinud välja midagi sellist, nagu universum tänapäeval teeb, ”lisas Bose. „Sel põhjusel hakati arvestama vastupidise piirmääraga - osakestega, mille sündimisel kiirus peaaegu puudub (teise nimega“ külm ”). Seda kandidaati hõlmavad simulatsioonid sobivad tänapäevaste vaatlustega universumist palju lähemalt.
„Pärast samade galaktikaparvede testimist nagu varem, leidsid astronoomid jahmatava ja vaadeldava universumi vahel jahmatava kokkuleppe. Järgnevatel aastakümnetel on külma osakesi testitud rangemate, mitte triviaalsete testide abil kui lihtsalt galaktikate rühmitamine, ja see on üldiselt läbinud kõik neist lendavate värvidega. "
Veel üks apellatsiooniallikas on asjaolu, et külm Dark Matter (vähemalt teoreetiliselt) peaks olema tuvastatav kas otseselt või kaudselt. Selles osas satub CDM siiski hätta, kuna kõik seni ühe osakese tuvastamise katsed on ebaõnnestunud. Sellisena on kosmoloogid otsustanud kaaluda teisi võimalikke kandidaate, kellel oleks teiste ainetega veelgi madalam koostoime.
Seda püüdis CfA astronoom Sownak Bose oma teadlaste meeskonnaga kindlaks teha. Uuringu huvides keskendusid nad „sooja” tumeda aine kandidaadile. Seda tüüpi osakestel oleks võime delikaatselt suhelda väga kergete osakestega, mis liiguvad valguse kiiruse lähedale, ehkki vähem kui interaktiivsema “kuuma” sordi puhul.
Eelkõige võiks see olla võimeline suhtlema neutrinodega, kes on HDM-i stsenaariumi endine esireket. Arvatakse, et neutriinod on kuuma varajase universumi ajal olnud väga levinud, nii et üksteist mõjutavatel tumedatel ainetel oleks olnud tugev mõju.
"Selles mudeliklassis lubatakse Dark Matteri osakesel olla piiratud (kuid nõrk) interaktsioon selliste kiirgavate liikidega nagu footonid või neutriinod," ütles dr Bose. "See sidumine jätab üsna varakult universumi" tükilisusesse "üsna ainulaadse jälje, mis erineb üsna palju sellest, mida võiks eeldada, kui tumeda aine puhul oleks tegemist külma osakesega."
Selle testimiseks korraldas meeskond kaasaegseid kosmoloogilisi simulatsioone Harvardi ja Islandi ülikooli superarvutirajatistes. Nendes simulatsioonides vaadeldi, kuidas galaktikate teket mõjutavad nii sooja kui ka tumeda aine olemasolu umbes 1 miljardilt pärast Suurt Pauku kuni 14 miljardit aastat (umbes praegune). Ütles dr Bose:
„[W] korraldasime arvutisimulatsioone, et saada teadmisi selle kohta, milline see universum võiks välja näha pärast 14 miljardit aastat kestnud evolutsiooni. Lisaks Dark Matter komponendi modelleerimisele hõlmasime ka tipptasemel ettekirjutusi tähtede moodustumise, supernoovade ja mustade aukude mõju, metallide moodustumise kohta jne.”
Seejärel võrdles meeskond tulemusi üksteisega, et tuvastada iseloomulikud allkirjad, mis eristaksid neid üksteisest. Nad leidsid, et paljude simulatsioonide jaoks oli selle interaktiivse tumeda aine mõju liiga väike, et seda märgata. Kuid nad olid olemas mõnel erineval viisil, eriti viisil, kuidas kauged galaktikad on jaotunud kogu kosmoses.
See tähelepanek on eriti huvitav, kuna seda saab tulevikus testida järgmise põlvkonna instrumentide abil. "Selleks on vaja kaardistada Universumi vähesus nendel varajastel aegadel, vaadates vesiniku gaasi jaotust," selgitas dr Bose. "Vaatluslikult on see väljakujunenud tehnika: saame varajases universumis neutraalset vesinikku proovida, vaadates kaugete galaktikate (tavaliselt kvaasarite) spektrit."
Lühidalt, kaugetest galaktikatest meile rändav valgus peab läbima galaktikavahelise keskkonna. Kui vahepealses keskkonnas on palju neutraalset vesinikku, absorbeeruvad galaktika emissiooniliinid osaliselt, samas kui need on takistusteta, kui neid on vähe. Kui Dark Matter on tõeliselt külm, kuvatakse see vesinikugaasi palju "kiirema" jaotuse kujul, samas kui WDM-i stsenaariumi tagajärjel tekivad võnked.
Praegu pole astronoomilistel instrumentidel vajalikku eraldusvõimet vesinikugaasi võnkumiste mõõtmiseks varases universumis. Kuid nagu dr Bose märkis, võiks see uurimistöö anda tõuke uuteks katseteks ja uuteks rajatisteks, mis oleksid võimelised neid tähelepanekuid tegema.
Näiteks IR-instrument nagu James Webbi kosmoseteleskoop (JWST) abil saab luua uusi kaarte vesiniku gaasi neeldumise jaotuse kohta. Need kaardid suudavad kas kinnitada interaktiivse Dark Matter mõju või välistada selle kandidaadina. Samuti loodetakse, et see uurimus inspireerib inimesi mõtlema kandidaatide peale, mida juba kaaluti.
Dr Bose ütles, et tõeline väärtus tuleneb sellest, et sedalaadi teoreetilised ennustused võivad suunata vaatlused uutele piiridele ja panna proovile teadmise piirid. "Ja see on kõik, mis teadus tegelikult on," lisas ta, "ennustades, pakkudes välja meetod selle katsetamiseks, katse läbiviimiseks ja seejärel teooria piiramiseks / välistamiseks!"
