Από τη «Χρυσή Εποχή της Γενικής Σχετικότητας» στη δεκαετία του 1960, οι επιστήμονες έχουν υποστηρίξει ότι μεγάλο μέρος του Σύμπαντος αποτελείται από μια μυστηριώδη αόρατη μάζα γνωστή ως «Σκοτεινό θέμα». Έκτοτε, οι επιστήμονες προσπάθησαν να λύσουν αυτό το μυστήριο με μια διπλή προσέγγιση. Από τη μία πλευρά, οι αστροφυσικοί προσπάθησαν να βρουν ένα υποψήφιο σωματίδιο που θα μπορούσε να εξηγήσει αυτήν τη μάζα.
Από την άλλη, οι αστροφυσικοί έχουν προσπαθήσει να βρουν μια θεωρητική βάση που θα μπορούσε να εξηγήσει τη συμπεριφορά του Dark Matter. Μέχρι στιγμής, η συζήτηση επικεντρώθηκε στο ερώτημα εάν είναι «ζεστό» ή «κρύο», με το κρύο να απολαμβάνει ένα πλεονέκτημα λόγω της σχετικής του απλότητας. Ωστόσο, μια νέα μελέτη που πραγματοποιήθηκε με επικεφαλής το Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA)
Αυτό βασίστηκε σε κοσμολογικές προσομοιώσεις σχηματισμού γαλαξιών χρησιμοποιώντας ένα μοντέλο σύμπαντος που περιλάμβανε διαδραστικό Dark Matter. Οι προσομοιώσεις διεξήχθησαν από μια διεθνή ομάδα ερευνητών από την CfA, το Ινστιτούτο Αστροφυσικής και Διαστημικής Έρευνας του MIT, το Ινστιτούτο Αστροφυσικής του Πότσνταμ του Leibniz και από πολλά πανεπιστήμια. Η μελέτη εμφανίστηκε πρόσφατα στο Μηνιαίες ειδοποιήσεις της Βασιλικής Αστρονομικής Εταιρείας.
Όταν έρχεται ακριβώς σε αυτό, το Dark Matter ονομάζεται κατάλληλα. Για αρχάριους, αποτελεί περίπου το 84% της μάζας του Σύμπαντος, αλλά ούτε εκπέμπει, απορροφά ή αντανακλά φως ή οποιαδήποτε άλλη γνωστή μορφή ακτινοβολίας. Δεύτερον, δεν έχει ηλεκτρομαγνητικό φορτίο και δεν αλληλεπιδρά με άλλη ύλη εκτός από τη βαρύτητα, τις πιο αδύναμες από τις τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις.
Τρίτον, δεν αποτελείται από άτομα ή τα συνηθισμένα δομικά στοιχεία τους (δηλαδή ηλεκτρόνια, πρωτόνια και νετρόνια), που συμβάλλει στη μυστηριώδη φύση του. Ως αποτέλεσμα, οι επιστήμονες θεωρούν ότι πρέπει να αποτελείται από κάποιο νέο είδος ύλης που είναι σύμφωνο με τους νόμους του Σύμπαντος, αλλά δεν εμφανίζεται στη συμβατική έρευνα φυσικής σωματιδίων.
Ανεξάρτητα από την πραγματική του φύση, το Dark Matter είχε μια βαθιά επίδραση στην εξέλιξη του κόσμου από περίπου 1 δισεκατομμύριο χρόνια μετά το Big Bang και μετά. Στην πραγματικότητα, πιστεύεται ότι έχει διαδραματίσει βασικό ρόλο σε όλα, από το σχηματισμό γαλαξιών έως τη διανομή της ακτινοβολίας Cosmic Microwave Background (CMB).
Επιπλέον, κοσμολογικά μοντέλα που λαμβάνουν υπόψη το ρόλο που διαδραματίζει το Dark Matter υποστηρίζονται από παρατηρήσεις αυτών των δύο πολύ διαφορετικών τύπων κοσμικών δομών. Επίσης, είναι συνεπείς με κοσμικές παραμέτρους όπως ο ρυθμός με τον οποίο το Σύμπαν επεκτείνεται, ο οποίος επηρεάζεται από μια μυστηριώδη, αόρατη δύναμη (γνωστή ως «Σκοτεινή Ενέργεια»).
Επί του παρόντος, τα πιο ευρέως αποδεκτά μοντέλα Dark Matter υποθέτουν ότι δεν αλληλεπιδρά με άλλα είδη ύλης ή ακτινοβολίας (συμπεριλαμβανομένης της ίδιας) πέρα από την επίδραση της βαρύτητας - δηλαδή ότι είναι "κρύο". Αυτό είναι γνωστό ως σενάριο Cold Dark Matter (CDM), το οποίο συχνά συνδυάζεται με τη θεωρία της Dark Energy (που εκπροσωπείται από την Lambda) με τη μορφή του κοσμολογικού μοντέλου LCDM.
Αυτή η θεωρητική μορφή του Dark Matter αναφέρεται επίσης ως
«Το [CDM] είναι το πιο καλά δοκιμασμένο και το προτιμώμενο μοντέλο. Αυτό οφείλεται κυρίως στο γεγονός ότι τις τελευταίες τέσσερις δεκαετίες, οι άνθρωποι έχουν εργαστεί σκληρά για να κάνουν προβλέψεις χρησιμοποιώντας το Cold Dark Matter ως το τυπικό παράδειγμα - αυτές στη συνέχεια συγκρίνονται με πραγματικά δεδομένα - με το συμπέρασμα ότι, σε γενικές γραμμές, αυτό το μοντέλο είναι σε θέση να αναπαραγάγετε ένα ευρύ φάσμα παρατηρηθέντων φαινομένων σε ένα ευρύ φάσμα κλιμάκων. "
Όπως το περιγράφει, το σενάριο του Dark Dark Matter έγινε ο πρώτος δρομέας αφού διεξήχθησαν αριθμητικές προσομοιώσεις της κοσμικής εξέλιξης χρησιμοποιώντας το "hot Dark Matter" - στην περίπτωση αυτή, το νετρίνο. Αυτά είναι υποατομικά σωματίδια που μοιάζουν πολύ με ένα
Αυτές οι προσομοιώσεις έδειξαν ότι οι προβλεπόμενες διανομές δεν μοιάζουν με το Σύμπαν σήμερα », πρόσθεσε ο Bose. «Για το λόγο αυτό, άρχισε να λαμβάνεται υπόψη το αντίθετο όριο, σωματίδια που έχουν σχεδόν καμία ταχύτητα όταν γεννιούνται (γνωστό και ως« κρύο »). Οι προσομοιώσεις που περιλάμβαναν αυτόν τον υποψήφιο ταιριάζουν πολύ πιο σύγχρονα στις σύγχρονες παρατηρήσεις του Σύμπαντος.
«Αφού πραγματοποίησαν τις ίδιες δοκιμές ομαδοποίησης γαλαξιών όπως προηγουμένως, οι αστρονόμοι βρήκαν μια εντυπωσιακή συμφωνία μεταξύ των προσομοιωμένων και παρατηρημένων συμπάντων. Τις επόμενες δεκαετίες, το ψυχρό σωματίδιο έχει δοκιμαστεί μέσω πιο αυστηρών, μη ασήμαντων δοκιμών από την απλή ομαδοποίηση γαλαξιών και γενικά πέρασε καθένα από αυτά με ιπτάμενα χρώματα. "
Μια άλλη πηγή προσφυγής είναι το γεγονός ότι το Cold Dark Matter (τουλάχιστον θεωρητικά) θα έπρεπε να είναι ανιχνεύσιμο είτε άμεσα είτε έμμεσα. Ωστόσο, αυτό είναι όπου το CDM αντιμετωπίζει προβλήματα, καθώς όλες οι προσπάθειες ανίχνευσης ενός σωματιδίου μέχρι στιγμής έχουν αποτύχει. Ως τέτοια, οι κοσμολόγοι έχουν λάβει υπόψη τους άλλους πιθανούς υποψήφιους που θα είχαν ακόμη μικρότερα επίπεδα αλληλεπίδρασης με άλλα θέματα.
Αυτό ήθελε να καθορίσει ο Sownak Bose, ένας αστρονόμος με το CfA, με την ομάδα των ερευνητών του. Για χάρη της μελέτης τους, επικεντρώθηκαν σε έναν «θερμό» υποψήφιο Dark Matter. Αυτός ο τύπος σωματιδίων θα έχει την ικανότητα να αλληλεπιδρά διακριτικά με πολύ ελαφριά σωματίδια που κινούνται κοντά στην ταχύτητα του φωτός, αν και λιγότερο από την πιο διαδραστική «καυτή» ποικιλία.
Συγκεκριμένα, θα μπορούσε να αλληλεπιδράσει με τα νετρίνα, τον πρώην πρωταγωνιστή του σεναρίου HDM. Τα νετρίνα πιστεύεται ότι ήταν πολύ διαδεδομένα κατά τη διάρκεια του καυτού πρώιμου Σύμπαντος, οπότε η παρουσία του αλληλεπιδρώντας Dark Matter θα είχε ισχυρή επιρροή.
"Σε αυτήν την κατηγορία μοντέλων, το σωματίδιο Dark Matter επιτρέπεται να έχει μια πεπερασμένη (αλλά ασθενή) αλληλεπίδραση με ένα ακτινοβόλο είδος όπως φωτόνια ή νετρίνα", δήλωσε ο Δρ. Bose. «Αυτή η σύζευξη αφήνει ένα μάλλον μοναδικό αποτύπωμα στο« άμορφο »του Σύμπαντος στις πρώτες στιγμές, το οποίο είναι πολύ διαφορετικό από αυτό που θα περίμενε κανείς αν το Dark Matter ήταν ένα κρύο σωματίδιο».
Για να το δοκιμάσει αυτό, η ομάδα πραγματοποίησε υπερσύγχρονες κοσμολογικές προσομοιώσεις στις εγκαταστάσεις υπερυπολογιστών στο Χάρβαρντ και στο Πανεπιστήμιο της Ισλανδίας. Αυτές οι προσομοιώσεις εξέτασαν πώς θα επηρεαζόταν ο σχηματισμός γαλαξιών από την παρουσία τόσο ζεστού όσο και σκοτεινού υλικού από περίπου 1 δισεκατομμύριο μετά το Big Bang έως 14 δισεκατομμύρια χρόνια (περίπου το παρόν). Ο Δρ Bose δήλωσε:
«[W] Εκτελέσαμε προσομοιώσεις υπολογιστών για να δημιουργήσουμε συνειδητοποιήσεις του πώς μπορεί να μοιάζει αυτό το Σύμπαν μετά από 14 δισεκατομμύρια χρόνια εξέλιξης. Εκτός από τη μοντελοποίηση του συστατικού Dark Matter, συμπεριλάβαμε επίσης υπερσύγχρονες συνταγές για σχηματισμό αστεριών, τα αποτελέσματα των σουπερνόβων και των μαύρων οπών, τον σχηματισμό μετάλλων και τα λοιπά.”
Στη συνέχεια, η ομάδα συνέκρινε τα αποτελέσματα μεταξύ τους για να προσδιορίσει τις χαρακτηριστικές υπογραφές που θα διακρίνουν το ένα από το άλλο. Αυτό που βρήκαν ήταν ότι για πολλές προσομοιώσεις τα αποτελέσματα αυτού του διαδραστικού Dark Matter ήταν πολύ μικρά για να είναι αισθητά. Ωστόσο, ήταν παρόντες με διάφορους διαφορετικούς τρόπους, ιδιαίτερα με τον τρόπο που οι απόμακροι γαλαξίες κατανέμονται σε όλο το διάστημα.
Αυτή η παρατήρηση είναι ιδιαίτερα ενδιαφέρουσα επειδή μπορεί να δοκιμαστεί στο μέλλον χρησιμοποιώντας όργανα επόμενης γενιάς. «Ο τρόπος για να γίνει αυτό είναι να χαρτογραφήσουμε την ανεπάρκεια του Σύμπαντος σε αυτές τις πρώτες στιγμές εξετάζοντας τη διανομή αερίου υδρογόνου», εξήγησε ο Δρ. "Παρατηρητικά, αυτή είναι μια καθιερωμένη τεχνική: μπορούμε να ανιχνεύσουμε ουδέτερο υδρογόνο στον πρώιμο κόσμο, εξετάζοντας τα φάσματα των απομακρυσμένων γαλαξιών (συνήθως κβάζαρ)."
Εν ολίγοις, το φως που μας ταξιδεύει από μακρινούς γαλαξίες πρέπει να περάσει από το διαγαλαξιακό μέσο. Εάν υπάρχει πολύ ουδέτερο υδρογόνο στο παρεμβαλλόμενο μέσο, οι γραμμές εκπομπών από τον γαλαξία θα απορροφηθούν εν μέρει, ενώ θα παρεμποδίζονται εάν υπάρχουν λίγα. Εάν το Dark Matter είναι πραγματικά κρύο, θα εμφανιστεί με τη μορφή πολύ «ογκώδους» διανομής αερίου υδρογόνου, ενώ ένα σενάριο WDM θα έχει ως αποτέλεσμα ταλαντώσεις σβώλων.
Επί του παρόντος, τα αστρονομικά όργανα δεν έχουν την απαραίτητη ανάλυση για τη μέτρηση των ταλαντώσεων αερίου υδρογόνου στα πρώτα σύμπαντα. Ωστόσο, όπως έδειξε ο Δρ. Bose, αυτή η έρευνα θα μπορούσε να δώσει ώθηση σε νέα πειράματα και νέες εγκαταστάσεις που θα μπορούσαν να κάνουν αυτές τις παρατηρήσεις.
Για παράδειγμα, όργανο IR όπως το Διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb (JWST) θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία νέων χαρτών κατανομής της απορρόφησης αερίου υδρογόνου. Αυτοί οι χάρτες θα μπορούσαν είτε να επιβεβαιώσουν την επίδραση του διαδραστικού Dark Matter είτε να τον αποκλείσουν ως υποψήφιο. Ελπίζεται επίσης ότι αυτή η έρευνα θα εμπνεύσει τους ανθρώπους να σκεφτούν υποψηφίους πέραν εκείνων που έχουν ήδη εξεταστεί.
Στο τέλος, είπε ο Δρ. Bose, η πραγματική αξία προέρχεται από το γεγονός ότι τέτοιου είδους θεωρητικές προβλέψεις μπορούν να ωθήσουν τις παρατηρήσεις σε νέα σύνορα και να δοκιμάσουν τα όρια αυτού που πιστεύουμε ότι γνωρίζουμε. "Και αυτό είναι όντως η επιστήμη", πρόσθεσε, "κάνοντας μια πρόβλεψη, προτείνοντας μια μέθοδο για τη δοκιμή της, εκτελώντας το πείραμα και στη συνέχεια περιορίζοντας / αποκλείοντας τη θεωρία!"
