Siden ”Guldalderen for generel relativitet” i 1960'erne har forskere anført, at meget af universet består af en mystisk usynlig masse kendt som ”Dark Matter”. Siden da har forskere forsøgt at løse dette mysterium med en dobbeltstrenget tilgang. På den ene side har astrofysikere forsøgt at finde en kandidatpartikel, der kunne forklare denne masse.
På den anden side har astrofysikere forsøgt at finde et teoretisk grundlag, der kunne forklare Dark Matter's opførsel. Indtil videre har debatten været centreret omkring spørgsmålet om, hvorvidt det er "varmt" eller "koldt", hvor kulde nyder en fordel på grund af dens relative enkelhed. En ny undersøgelse udført af Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA)
Dette var baseret på kosmologiske simuleringer af galaksdannelse ved hjælp af en model af et univers, der omfattede interaktivt mørk materie. Simuleringerne blev udført af et internationalt team af forskere fra CfA, MIT's Kavli Institute for Astrophysics and Space Research, Leibniz Institute for Astrophysics Potsdam og flere universiteter. Undersøgelsen blev for nylig vist i Månedlige meddelelser fra Royal Astronomical Society.
Når det kommer helt ned til det, kaldes Dark Matter passende. Til at begynde med udgør det ca. 84% af universets masse, men hverken udsender, absorberer eller reflekterer lys eller nogen anden kendt form for stråling. For det andet har den ingen elektromagnetisk ladning og interagerer ikke med andet stof undtagen gennem tyngdekraften, den svageste af de fire grundlæggende kræfter.
For det tredje består den ikke af atomer eller deres sædvanlige byggesten (dvs. elektroner, protoner og neutroner), hvilket bidrager til dets mystiske natur. Som et resultat teoretiserer videnskabsmænd, at det skal bestå af en ny type stof, der er i overensstemmelse med universets love, men ikke vises i konventionel partikelfysikforskning.
Uanset dens sande natur har Dark Matter haft en dybtgående indflydelse på kosmos udvikling siden omkring 1 milliard år efter Big Bang og fremad. Det antages faktisk, at det har spillet en nøglerolle i alt fra dannelsen af galakser til distributionen af den kosmiske mikrobølgebakgrundsstråling (CMB) -stråling.
Derudover er kosmologiske modeller, der tager højde for den rolle, som Dark Matter spiller, sikkerhedskopieret af observationer af disse to meget forskellige typer kosmiske strukturer. De er også i overensstemmelse med kosmiske parametre som den hastighed, som universet ekspanderer på, som i sig selv er påvirket af en mystisk, usynlig kraft (kendt som ”Dark Energy”).
I øjeblikket antager de mest accepterede modeller af Dark Matter, at det ikke interagerer med andre former for stof eller stråling (inklusive sig selv) ud over tyngdekraften - dvs. at det er "koldt". Det er det, der kaldes CDM-scenariet Cold Dark Matter (CDM), som ofte kombineres med teorien om Dark Energy (repræsenteret af Lambda) i form af LCDM-kosmologiske modeller.
Denne teoretiske form for Dark Matter omtales også som
”[CDM] er den mest testede og den foretrukne model. Dette skyldes primært, at i løbet af de sidste fire årtier har folk arbejdet hårdt på at fremsætte forudsigelser ved hjælp af kolde Dark Matter som standardparadigme - disse sammenlignes derefter med reelle data - med den konstatering, at denne model generelt er i stand til at gengive en lang række observerede fænomener på tværs af en lang række skalaer. ”
Som han beskriver det, blev det kolde Dark Matter-scenarie frontløber, efter at numeriske simuleringer af den kosmiske udvikling gennemførte ved hjælp af "hot Dark Matter" - i dette tilfælde neutrinoen. Dette er subatomære partikler, der ligner meget en
Disse simuleringer viste, at de forudsagte distributioner ikke lignede universet i dag, ”tilføjede Bose. ”Af den grund begyndte man at overveje den modsatte grænse, partikler, der næsten ikke har nogen hastighed, når de fødes (også kaldet“ kold ”). Simuleringer, der inkluderede denne kandidat, passer meget mere tæt på moderne observationer af universet.
”Efter at have udført de samme galakse-klyngetest som før, fandt astronomer en forbløffende aftale mellem de simulerede og observerede universer. I de efterfølgende årtier er den kolde partikel blevet testet gennem mere strenge, ikke-trivielle test end blot galakse-klynger, og den har generelt bestået hver af disse med flyvende farver. ”
En anden kilde til appel er det faktum, at kold Dark Matter (i det mindste teoretisk) burde være påviselig enten direkte eller indirekte. Det er her hvor CDM løber ind i problemer, da alle forsøg på at detektere en enkelt partikel indtil videre er mislykkedes. Som sådan har kosmologer taget hensyn til andre mulige kandidater, der ville have endnu mindre niveauer af interaktion med anden sag.
Dette er, hvad Sownak Bose, en astronom ved CfA, forsøgte at bestemme med sit forskerhold. Af hensyn til deres undersøgelse fokuserede de på en ”varm” Dark Matter-kandidat. Denne type partikel har evnen til subtilt at interagere med meget lette partikler, der bevæger sig tæt på lysets hastighed, dog mindre end den mere interaktive "varme" sort.
Især kunne det være i stand til at interagere med neutrinoer, den tidligere frontløber for HDM-scenariet. Neutrinoer menes at have været meget udbredt under det varme tidlige univers, så tilstedeværelsen af interagerende Dark Matter ville have haft en stærk indflydelse.
"I denne klasse af modeller har Dark Matter-partiklen lov til at have en begrænset (men svag) interaktion med en strålende art som fotoner eller neutrinoer," sagde Dr. Bose. "Denne kobling efterlader et ret unikt aftryk i universets 'klumphed' på tidlige tidspunkter, hvilket er meget anderledes end hvad der kunne forventes, hvis Dark Matter var en kold partikel."
For at teste dette kørte teamet avancerede kosmologiske simuleringer i supercomputeringsfaciliteterne ved Harvard og University of Island. Disse simuleringer overvejede, hvordan galaksdannelse ville blive påvirket af tilstedeværelsen af både varmt og mørkt stof fra ca. 1 milliard efter Big Bang til 14 milliarder år (omtrent den nuværende). Dr. Bose angav:
”[W] e kørte computersimuleringer for at generere erkendelser af, hvordan dette univers kan se ud efter 14 milliarder års udvikling. Ud over at modellere Dark Matter-komponenten inkluderede vi også avancerede recept til stjernedannelse, virkningerne af supernovaer og sorte huller, dannelsen af metaller etc.”
Holdet sammenlignede derefter resultaterne med hinanden for at identificere karakteristiske underskrifter, der kunne skelne hinanden. Hvad de fandt, var, at virkningen af dette interaktive Dark Matter for mange simuleringer var for lille til at være mærkbart. De var imidlertid til stede på nogle forskellige måder, især på den måde, at fjerne galakser er fordelt over rummet.
Denne observation er især interessant, fordi den kan testes i fremtiden ved hjælp af næste generations instrumenter. ”Måden at gøre dette på er at kortlægge universets klumphed på disse tidlige tider ved at se på distributionen af brintgas,” forklarede Dr. Bose. "Observationsmæssigt er dette en veletableret teknik: vi kan undersøge neutralt brint i det tidlige univers ved at se på spektre for fjerne galakser (normalt kvasarer)."
Kort sagt skal lys, der rejser til os fra fjerne galakser, passere gennem det intergalaktiske medium. Hvis der er meget neutralt brint i det mellemliggende medium, vil emissionslinierne fra galaksen delvist blive absorberet, mens de ikke forhindres, hvis der er lidt. Hvis Dark Matter virkelig er koldt, vises det i form af en meget "lumpier" fordeling af brintgas, mens et WDM-scenarie vil resultere i svingende klumper.
I øjeblikket har astronomiske instrumenter ikke den nødvendige opløsning til at måle hydrogengasoscillationer i det tidlige univers. Men som Dr. Bose antydede, kunne denne forskning give drivkraft til nye eksperimenter og nye faciliteter, der ville være i stand til at foretage disse observationer.
For eksempel IR-instrument som James Webb-rumteleskop (JWST) kunne bruges til at oprette nye kort over fordelingen af brintgasabsorption. Disse kort ville være i stand til enten at bekræfte indflydelsen fra interaktivt Dark Matter eller udelukke det som en kandidat. Man håber også, at denne forskning vil inspirere folk til at tænke på kandidater ud over dem, der allerede er blevet overvejet.
I sidste ende, sagde Dr. Bose, kommer den virkelige værdi af det faktum, at denne slags teoretiske forudsigelser kan anspore observationer til nye grænser og teste grænserne for det, vi tror, vi ved. "Og det er alt, hvad videnskaben virkelig er," tilføjede han, "lave en forudsigelse, foreslå en metode til at teste det, udføre eksperimentet og derefter begrænse / udelukke teorien!"
