Od » Zlata doba splošne relativnosti 'v šestdesetih letih prejšnjega stoletja so znanstveniki menili, da je velik del vesolja sestavljen iz skrivnostne nevidne mase, znane kot ' Temna snov “. Od takrat so znanstveniki poskušali razrešiti to skrivnost z dvojnim pristopom. Po eni strani so astrofiziki poskušali najti kandidatni delec, ki bi lahko predstavljal to maso.
Po drugi strani so astrofiziki poskušali najti teoretično osnovo, ki bi lahko pojasnila obnašanje temne snovi. Doslej je bila razprava osredotočena na vprašanje, ali je 'vroče' ali 'hladno', pri čemer je hladno zaradi svoje relativne preprostosti prednost. Vendar pa je nova študija, ki jo je vodila Harvard-Smithsonian Center za astrofiziko (CfA) oživlja idejo, da je temna snov morda dejansko »topla«.
To je temeljilo na kozmoloških simulacijah nastanka galaksij z uporabo modela vesolja, ki je vključeval interaktivno temno snov. Simulacije je izvedla mednarodna skupina raziskovalcev iz CfA, MIT Kavlijev inštitut za astrofiziko in vesoljske raziskave , Leibniz inštitut za astrofiziko Potsdam in več univerz. Študija se je pred kratkim pojavila v Mesečna obvestila Kraljevega astronomskega društva .
Umetnikova predstavitev kozmološkega modela LCDM. Zasluge: Wikipedia Commons/Alex Mittelmann, Coldcreation
Ko pride prav do tega, je temna snov ustrezno poimenovana. Za začetek predstavlja približno 84 % mase vesolja, vendar ne oddaja, ne absorbira ali odbija svetlobe ali katere koli druge znane oblike sevanja. Drugič, nima elektromagnetnega naboja in ne sodeluje z drugo snovjo, razen z gravitacijo, najšibkejšim od štirih temeljnih sil.
Tretjič, ni sestavljen iz atomov ali njihovih običajnih gradnikov (tj. elektronov, protonov in nevtronov), kar prispeva k njegovi skrivnostni naravi. Posledično znanstveniki teoretizirajo, da mora biti sestavljena iz neke nove vrste snovi, ki je skladna z zakoni vesolja, vendar se ne kaže v običajnih raziskavah fizike delcev.
Dve simulaciji nastanka galaksij, ko je bilo vesolje staro približno milijardo let. Zasluge: Bose et al. 2019
Ne glede na svojo pravo naravo je temna snov močno vplivala na evolucijo kozmosa od približno 1 milijarde let po velikem poku naprej. Pravzaprav se domneva, da je igral ključno vlogo pri vsem, od nastanka galaksij do distribucije sevanja kozmičnega mikrovalovnega ozadja (CMB).
Še več, kozmološki modeli, ki upoštevajo vlogo temne snovi, so podprti z opazovanji teh dveh zelo različnih vrst kozmičnih struktur. Prav tako so skladni s kozmičnimi parametri, kot je hitrost, s katero se vesolje širi, na katero vpliva skrivnostna, nevidna sila (znana kot ' Temna energija ').
Trenutno najbolj razširjeni modeli temne snovi domnevajo, da ne sodeluje z nobeno drugo vrsto snovi ali sevanja (vključno s samim seboj) mimo vpliva gravitacije – to je, da je »hladna«. To je tisto, kar je znano kot scenarij hladne temne snovi (CDM), ki je pogosto kombiniran s teorijo temne energije (ki jo predstavlja Lambda) v obliki kozmološkega modela LCDM.
Ta teoretična oblika temne snovi se imenuje tudi neinteraktivna, saj ni sposobna interakcije z normalno snovjo prek česar koli drugega kot najšibkejše temeljne sile. Kot je za Universe Today po e-pošti pojasnil dr. Sownak Bose, astronom pri CfA in glavni avtor študije:
»[CDM] je najbolj dobro preizkušen in najprimernejši model. To je predvsem zato, ker so se ljudje v zadnjih štirih desetletjih ali tako zelo trudili, da bi predvidevali z uporabo hladne temne snovi kot standardne paradigme – te se nato primerjajo z resničnimi podatki – z ugotovitvijo, da je ta model na splošno sposoben reproducirati širok spekter opazovanih pojavov v širokem razponu lestvic.'
Kot ga opisuje, je scenarij hladne temne snovi postal vodilni po tem, ko so bile izvedene numerične simulacije kozmične evolucije z uporabo 'vroče temne snovi' - v tem primeru nevtrina. To so subatomski delci, ki so zelo podobni elektronu, vendar nimajo električnega naboja. Prav tako so tako lahke, da potujejo po vesolju s skoraj svetlobno hitrostjo (z drugimi besedami, kinematično so 'vroče').
Te simulacije so pokazale, da napovedane distribucije niso izgledale tako kot vesolje danes,« je dodal Bose. 'Zaradi tega se je začela obravnavati nasprotna meja, delci, ki imajo komaj kaj hitrosti, ko se rodijo (tudi 'hladni'). Simulacije, ki so vključevale tega kandidata, se veliko bolj ujemajo s sodobnimi opazovanji vesolja.
'Po opravljenih enakih testih združevanja galaksij kot prej so astronomi odkrili presenetljivo soglasje med simuliranim in opazovanim vesoljem. V naslednjih desetletjih je bil hladen delec preizkušen z strožjimi, netrivialnimi testi kot zgolj z združevanjem galaksij, in na splošno je vsako od teh opravil z odličnimi rezultati.
Drug vir privlačnosti je dejstvo, da bi bilo treba hladno temno snov (vsaj teoretično) zaznati neposredno ali posredno. Vendar pa tukaj CDM naleti na težave, saj so vsi dosedanji poskusi odkrivanja enega samega delca propadli. Kot taki so kozmologi preučili druge možne kandidate, ki bi imeli še manjše stopnje interakcije z drugo snovjo.
To je s svojo ekipo raziskovalcev skušal ugotoviti Sownak Bose, astronom pri CfA. Zaradi študija so se osredotočili na 'toplega' kandidata za temno snov. Ta vrsta delcev bi imela sposobnost subtilne interakcije z zelo lahkimi delci, ki se gibljejo blizu svetlobne hitrosti, čeprav manj kot bolj interaktivna 'vroča' sorta.
Zlasti bi lahko bil sposoben interakcije z nevtrini, nekdanjim vodilnim v scenariju HDM. Menijo, da so bili nevtrini zelo razširjeni v vročem zgodnjem vesolju, zato bi imela prisotnost temne snovi, ki deluje v interakciji, močan vpliv.
Vidna svetloba (levo) in infrardeča slika (desno) galaksije Whirlpool, posneta z Nasinim vesoljskim teleskopom Hubble. Zasluge: NASA/ESA/M. Regan & B. Whitmore (STScI), & R. Chandar (U. Toledo)/S. Beckwith (STScI) in ekipa Hubble Heritage (STScI/AURA
'V tem razredu modelov je delcu temne snovi dovoljeno končno (vendar šibko) interakcijo s sevalnimi vrstami, kot so fotoni ali nevtrini,' je dejal dr. Bose. 'Ta spoj pušča precej edinstven odtis v 'grudastosti' vesolja v zgodnjih časih, kar je precej drugačno od tistega, kar bi lahko pričakovali, če bi bila temna snov hladen delec.'
Da bi to preizkusili, je ekipa izvedla najsodobnejše kozmološke simulacije v superračunalniških objektih na Harvardu in na Univerzi na Islandiji. Te simulacije so obravnavale, kako bi na nastanek galaksij vplivala prisotnost tople in temne snovi od približno 1 milijarde po velikem poku do 14 milijard let (približno sedanjost). Bose je rekel:
»Izvedli smo računalniške simulacije, da bi ustvarili spoznanje, kako bi to vesolje lahko izgledalo po 14 milijardah let evolucije. Poleg modeliranja komponente temne snovi smo vključili tudi najsodobnejše recepte za nastajanje zvezd, učinke supernov in črnih lukenj, nastanek kovinitd.'
Ekipa je nato primerjala rezultate med seboj, da bi identificirala značilne podpise, ki bi razlikovali enega od drugega. Ugotovili so, da so bili pri mnogih simulacijah učinki te interaktivne temne snovi premajhni, da bi bili opazni. Vendar so bili prisotni na različne načine, zlasti na način, kako so oddaljene galaksije razporejene po vesolju.
Računalniška simulacija porazdelitve snovi v vesolju. Oranžne regije gostijo galaksije; modre strukture so plin in temna snov. Zasluge: TNG Collaboration
To opazovanje je še posebej zanimivo, ker ga je mogoče v prihodnosti preizkusiti z instrumenti naslednje generacije. 'Način za to je, da preslikamo grudast vesolja v teh zgodnjih časih s pregledom porazdelitve vodikovega plina,' je pojasnil dr. Bose. 'Z opazovanja je to dobro uveljavljena tehnika: lahko sondiramo nevtralni vodik v zgodnjem vesolju tako, da pogledamo spektre oddaljenih galaksij (običajno kvazarjev).'
Skratka, svetloba, ki potuje k nam iz oddaljenih galaksij, mora preiti skozi medgalaktični medij. Če je v vmesnem mediju veliko nevtralnega vodika, bodo emisijske linije iz galaksije delno absorbirane, medtem ko bodo neovirane, če ga bo malo. Če je temna snov zares hladna, se bo pokazala v obliki veliko bolj 'gručaste' porazdelitve vodikovega plina, medtem ko bo scenarij WDM povzročil nihanje kep.
Trenutno astronomski instrumenti nimajo potrebne ločljivosti za merjenje nihanj vodikovega plina v zgodnjem vesolju. Toda kot je navedel dr. Bose, bi ta raziskava lahko dala zagon za nove poskuse in nove naprave, ki bi bile sposobne izvajati ta opazovanja.
Na primer, IR instrument, kot je Vesoljski teleskop James Webb (JWST) bi lahko uporabili za ustvarjanje novih zemljevidov porazdelitve absorpcije vodikovega plina. Ti zemljevidi bi lahko bodisi potrdili vpliv interaktivne temne snovi bodisi jo izključili kot kandidata. Upamo tudi, da bo ta raziskava spodbudila ljudi k razmišljanju o kandidatih poleg tistih, ki so bili že obravnavani.
Na koncu, je dejal dr. Bose, prava vrednost izvira iz dejstva, da lahko tovrstne teoretične napovedi spodbudijo opazovanja na nove meje in preizkušajo meje tega, za kar mislimo, da vemo. 'In to je vse, kar je znanost v resnici,' je dodal, 'napoveduje, predlaga metodo za njeno testiranje, izvede eksperiment in nato omeji/izključi teorijo!'
