Skoraj stoletje so astronomi in kozmologi domnevali, da je prostor napolnjen z nevidno maso, znano kot 'temna snov'. Ker predstavlja 27 % mase in energije v opazovanem vesolju, je bil obstoj te snovi namenjen razlagi vse 'manjkajoče' barionske snovi v kozmoloških modelih. Žal je koncept temne snovi rešil en kozmološki problem, ustvaril pa drugega.
Če ta zadeva obstaja, kaj jetonarejeno iz? Doslej so se teorije gibale od tega, da je sestavljeno iz hladne, tople ali vroče snovi, pri čemer je najbolj razširjena teorija model Lambda hladne temne snovi (Lambda-CDM). Vendar pa nova študija ki ga je izdelala skupina evropskih astronomov, kaže, da bi model tople temne snovi (WDM) morda lahko razložil najnovejša opažanja zgodnjega vesolja.
Toda najprej je treba nekaj razlag. Različne teorije o temni snovi (hladna, topla, vroča) se ne nanašajo na temperature same snovi, temveč na velikost samih delcev glede na velikost protogalaksije – zgodnje tvorbe vesolja, iz katere so kasneje nastale pritlikave galaksije. oblika.
Diagram, ki prikazuje vesolje Lambda-CBR, od velikega poka do sedanje dobe. Zasluge: Alex Mittelmann/Coldcreation
Velikost teh delcev določa, kako hitro lahko potujejo, kar določa njihove termodinamične lastnosti in kaže, kako daleč bi lahko potovali - aka. njihov ' dolžina brezplačnega pretakanja ” (FSL) – preden ga upočasni kozmična ekspanzija. Medtem ko bi bila vroča temna snov sestavljena iz zelo svetlih delcev z visokimi FSL, se domneva, da je hladna temna snov sestavljena iz masivnih delcev z nizkim FSL.
Špekulira se, da ima obliko hladne temne snovi Masivni kompaktni halo predmeti (MACHO), kot so črne luknje, ali razred neodkritih težkih delcev – t.j. Slabo delujoči masivni delci (WIMP) in aksioni. Splošno sprejet model Lambda-CDM temelji na delu teorije, da je temna snov »hladna«.
Glede na kozmološke razlage je najpreprostejša in lahko pojasni nastanek galaksij ali tvorb kopic galaksij. Vendar pa v tej teoriji ostaja nekaj lukenj, od katerih je največja ta, da napoveduje, da bi moralo biti v zgodnjem vesolju veliko več majhnih, pritlikavih galaksij, kot jih lahko upoštevamo.
Skratka, obstoj temne snovi kot masivnih delcev z nizko FSL bi povzročil majhna nihanja gostote snovi v zgodnjem vesolju – kar bi privedlo do velike količine galaksij z majhno maso, ki bi jih lahko našli kot satelite galaktičnih halojev, in z velikimi koncentracijami temne snovi v njihovih središčih.
Ilustracija globine, s katero je Hubble slikal galaksije v prejšnjih pobudah Deep Field, v enotah Age of the Universe. Cilj Frontier Fields je pogledati dlje od Hubblovega ultra globokega polja. Zasluge: NASA in A. Feild (STScI)
Seveda bi odsotnost teh galaksij lahko privedla do domnev, da teh galaksij preprosto še nismo opazili in da raziskave IR, kot je npr. Dvomikronska raziskava vsega neba (2MASS) in Infrardeči raziskovalec širokega polja (WISE) misije bi jih lahko pravočasno našli.
Toda kot mednarodna raziskovalna skupina – ki vključuje astronome iz Rimski astronomski observatorij (INAF), Znanstveni podatkovni center Italijanske vesoljske agencije in Pariški observatorij – druga možnost je, da temna snov ni ne vroča ne hladna, ampak »topla« – torej sestavljena iz delcev srednje mase (tudi neodkritih) s FSL, ki so približno enaki kot predmeti, veliki kot galaksije.
Kot je po elektronski pošti povedala dr. Nicola Menci – raziskovalka pri INAF in vodilna avtorica študije – Universe Today:
'Za delce hladne temne snovi so značilne nizke srednje kvadratne hitrosti zaradi velike mase (običajno se domneva, da je reda >~ 100 GeV, stokratna masa protona). Tako nizke toplotne hitrosti omogočajo združevanje CDM tudi na zelo majhnih lestvicah. Nasprotno pa bi za svetlejše delce temne snovi z maso reda keV (okoli 1/500 mase elektrona) značilne večje toplotne hitrosti, ki bi zavirale združevanje DM na masnih lestvicah pritlikavih galaksij. To bi zatrlo številčnost pritlikavih galaksij (in satelitskih galaksij) in ustvarilo plitke profile notranje gostote v takšnih objektih, ki bi se seveda ujemali z opazovanji brez potrebe po močni povratni informaciji od zvezdnih populacij.'
Z drugimi besedami, ugotovili so, da bi WDM lahko bolje upošteval zgodnje vesolje, kot ga vidimo danes. Medtem ko bi model Lambda-CDM povzročil motnje gostote v zgodnjem vesolju, bi daljši FSL delcev tople temne snovi te motnje zgladil in tako bil podoben tistemu, kar vidimo, ko pogledamo globoko v kozmos, da vidimo vesolje v epohi. nastajanja galaksij.
Zaradi njihove študije, ki se je nedavno pojavila v številki 1. julija The Astrophysical Journal Letters , se je raziskovalna skupina oprla na podatke, pridobljene iz Hubblova mejna polja (HFF) program. S pomočjo izboljšav v zadnjih letih so lahko preučili velikost posebej šibkih in oddaljenih galaksij.
Sestavljena slika, ki prikazuje lečo galaksijo SDP81. Rdeči loki so popačena slika bolj oddaljene galaksije, oddaljene približno 12 milijard svetlobnih let. Zasluge: Y. Hezaveh, Stanford Univ./ALMA (NRAO/ESO/NAOJ)/NASA/ESA/Vesoljski teleskop Hubble
Kot je pojasnil Menci, je to razmeroma nova zmožnost, ki je vesoljski teleskop Hubble pred nekaj leti ne bi mogel:
'Ker na nastanek galaksij močno vpliva narava DM na lestvici pritlikavih galaksij, je močno orodje za omejevanje modelov DM merjenje številčnosti galaksij z majhno maso v zgodnjih kozmičnih časih (visoki rdeči premiki z=6-8), obdobje njihovega nastanka. To je zahtevna naloga, saj vključuje iskanje izjemno šibkih objektov (absolutne magnitude M_UV=-12 do -13) na zelo velikih razdaljah (12-13 milijard svetlobnih let) tudi za vesoljski teleskop Hubble.
»Vendar program Hubble Frontier Field izkorišča gravitacijske leče, ki jih proizvajajo kopice galaksij v ospredju, za ojačanje svetlobe iz oddaljenih galaksij. Ker je nastajanje pritlikavih galaksij v modelih WDM potlačeno – in je moč zatiranja večja pri lažjih DM delcih – lahko visoka izmerjena številčnost pritlikavih galaksij z visokim rdečim premikom (~ 3 galaksije na kocko Mpc) zagotovi spodnjo mejo za Masa delcev WDM, ki je popolnoma neodvisna od zvezdnih lastnosti galaksij.
Rezultati, ki so jih dobili, so zagotovili stroge omejitve glede temne snovi in zgodnjega nastajanja galaksij in so bili tako skladni s tem, kar je videl HFF. Ti rezultati bi lahko pokazali, da je bil naš doslej neuspeh pri odkrivanju temne snovi posledica iskanja napačne vrste delcev. Seveda pa so ti rezultati le en korak v večjem prizadevanju in bodo zahtevali nadaljnje testiranje in potrditev.
Umetnikov vtis temne snovi, ki obdaja Rimsko cesto. (ESO/L. Calçada)
Če gledamo naprej, Menci in njegovi sodelavci upajo, da bodo pridobili dodatne informacije iz programa HFF, in upa, da jim bodo prihodnje misije omogočile, da vidijo, ali njihove ugotovitve držijo. Kot smo že omenili, te vključujejo infrardeče astronomske misije, za katere se pričakuje, da bodo »videle« več zgodnjega vesolja, tako da gledajo onstran vidnega spektra.
'Naši rezultati temeljijo na številu pritlikavk z visokim rdečim premikom, merjenih na samo dveh poljih,' je dejal. »Vendar pa je cilj programa HFF meriti takšne količine na šestih neodvisnih področjih. Delovanje vesoljskega teleskopa James Webb v bližnji prihodnosti – s programom leč, podobnim HFF – nam bo omogočilo, da določimo možne mehanizme za proizvodnjo delcev WDM ali izključimo modele WDM kot alternative CDM,« rekel je. “Skoraj stoletje je bila temna snov prodorna in neulovljiva skrivnost, ki se vedno umakne v trenutku, ko pomislimo, da jo bomo odkrili. Toda globlje ko pogledamo v znano vesolje (in dlje v preteklost), bolj se lahko naučimo o njegovem razvoju in tako vidimo, ali so v skladu z našimi teorijami.
Nadaljnje branje: The Astrophysical Journal Letters , AAS Nova