Od „Zlatého veku všeobecnej relativity“ v 60. rokoch 20. storočia vedci tvrdia, že veľká časť vesmíru pozostáva z tajomnej neviditeľnej omše známej ako „temná hmota“. Odvtedy sa vedci pokúsili vyriešiť toto tajomstvo dvojakým prístupom. Na jednej strane sa astrofyzici pokúsili nájsť kandidátnu časticu, ktorá by mohla zodpovedať za túto masu.
Na druhej strane sa astrofyzici pokúsili nájsť teoretický základ, ktorý by mohol vysvetliť správanie Temnej hmoty. Doteraz sa diskusia sústredila na otázku, či je „horúca“ alebo „studená“, pričom chlad sa teší hrane kvôli jej relatívnej jednoduchosti. Nová štúdia pod vedením Harvardsko-Smithsonovského centra pre astrofyziku (CfA)
Toto bolo založené na kozmologických simuláciách formovania galaxií s použitím modelu Vesmíru, ktorý obsahoval interaktívnu temnú hmotu. Simulácie boli uskutočnené medzinárodným tímom vedcov z CfA, MIT's Kavli Institute for Astrophysics and Space Research, Leibniz Institute for Astrophysics Potsdam a viacerými univerzitami. Štúdia sa nedávno objavila na internete Mesačné oznámenia Kráľovskej astronomickej spoločnosti.
Keď to príde priamo na to, Dark Matter je správne pomenovaný. Pre začiatočníkov to predstavuje asi 84% hmotnosti Vesmíru, ale nevyžaruje, neabsorbuje ani neodráža svetlo alebo iné známe formy žiarenia. Po druhé, nemá elektromagnetický náboj a neinteraguje s inou hmotou okrem gravitácie, najslabšej zo štyroch základných síl.
Po tretie, nie je zložený z atómov alebo ich obvyklých stavebných blokov (t. J. Elektrónov, protónov a neutrónov), čo prispieva k jeho záhadnej povahe. Výsledkom je, že vedci sa domnievajú, že musí pozostávať z nejakého nového druhu hmoty, ktorý je v súlade so zákonmi vesmíru, ale neobjavuje sa v konvenčnom výskume časticovej fyziky.
Bez ohľadu na svoju skutočnú povahu má temná hmota hlboký vplyv na vývoj vesmíru od približne 1 miliardy rokov po Veľkom tresku. V skutočnosti sa predpokladá, že zohral kľúčovú úlohu vo všetkom, od formovania galaxií po distribúciu žiarenia kozmického mikrovlnného žiarenia (CMB).
A čo viac, kozmologické modely, ktoré zohľadňujú úlohu, ktorú zohráva temná hmota, sú podporené pozorovaním týchto dvoch veľmi odlišných typov kozmických štruktúr. Sú tiež v súlade s kozmickými parametrami, ako je rýchlosť, akou sa vesmír rozširuje, ktorý je sám ovplyvňovaný záhadnou neviditeľnou silou (známa ako „temná energia“).
V súčasnosti najbežnejšie akceptované modely Dark Matter predpokladajú, že neovplyvňuje gravitáciu s inými druhmi látok alebo žiarenia (vrátane seba), t. J. Že je „studený“. Toto je známe ako scenár Cold Dark Matter (CDM), ktorý sa často kombinuje s teóriou temnej energie (zastúpenej Lambda) vo forme kozmologického modelu LCDM.
Táto teoretická forma temnej hmoty sa označuje aj ako
„[CDM] je najlepšie testovaný a preferovaný model. Je to predovšetkým preto, že za posledné štyri desaťročia ľudia tvrdo pracovali na tom, aby predpovede používali studenú temnú hmotu ako štandardnú paradigmu - tieto sa potom porovnávajú so skutočnými údajmi - so zistením, že tento model je všeobecne schopný reprodukujú širokú škálu pozorovaných javov v širokom rozsahu mierok. “
Ako popisuje, studený scenár temnej hmoty sa stal priekopníkom po tom, čo numerické simulácie kozmického vývoja prebiehali pomocou „horúcej temnej hmoty“ - v tomto prípade neutrína. Jedná sa o subatomické častice, ktoré sú veľmi podobné
Tieto simulácie ukázali, že predpovedané distribúcie nevyzerali nič ako dnes vesmír, “dodal Bose. „Z tohto dôvodu sa začali brať do úvahy opačné limity, častice, ktoré pri narodení nemajú takmer žiadnu rýchlosť (tiež„ studené “). Simulácie, ktoré zahŕňali tohto kandidáta, zapadajú do moderných pozorovaní vesmíru oveľa bližšie.
„Po vykonaní rovnakých testov na zhlukovanie galaxií ako predtým, astronómovia našli prekvapujúcu dohodu medzi simulovaným a pozorovaným vesmírom. V nasledujúcich desaťročiach bola studená častica testovaná pomocou prísnejších, netriviálnych testov, ako je prosté zhlukovanie galaxií, a každá z nich zvyčajne prešla lietajúcimi farbami. “
Ďalším zdrojom odvolania je skutočnosť, že studená temná hmota (aspoň teoreticky) by mala byť zistiteľná priamo alebo nepriamo. To je však miesto, kde sa CDM dostane do problémov, pretože všetky pokusy o detekciu jednej častice doteraz zlyhali. Ako také, kozmológovia vzali do úvahy ďalších možných kandidátov, ktorí by mali ešte menšie úrovne interakcie s inou hmotou.
To je to, čo sa Sownak Bose, astronóm s CfA, rozhodol určiť so svojím tímom vedcov. Kvôli štúdiu sa zamerali na „teplého“ kandidáta na Temnú hmotu. Tento typ častice by mal schopnosť jemne interagovať s veľmi ľahkými časticami, ktoré sa pohybujú blízko rýchlosti svetla, hoci menej ako interaktívnejšia „horúca“ odroda.
Najmä by mohla byť schopná interakcie s neutrínmi, bývalými priekopníkmi scenára HDM. Neutrína sú považované za veľmi prevládajúce počas horúceho skorého vesmíru, takže prítomnosť interagujúcich temných látok by mala silný vplyv.
„V tejto triede modelov je povolené, aby častice tmavej hmoty mali konečnú (ale slabú) interakciu s radiačným druhom, ako sú fotóny alebo neutrína,“ povedal Dr. Bose. „Táto väzba zanecháva v ranom čase pomerne jedinečný dojem„ hrudnosti “vesmíru, čo je dosť odlišné od toho, čo by sa dalo očakávať, ak by temná hmota bola studenou časticou.“
Na vyskúšanie to viedlo najmodernejšie kozmologické simulácie v superpočítačových zariadeniach na Harvarde a na Islandskej univerzite. Tieto simulácie zvažovali, ako by bola tvorba galaxií ovplyvnená prítomnosťou teplých aj temných látok od asi 1 miliardy po Veľkom tresku do 14 miliárd rokov (zhruba súčasnosť). Bose uviedol:
„Uskutočnili sme počítačové simulácie na generovanie realizácií toho, ako by tento vesmír mohol vyzerať po 14 miliárd rokoch vývoja. Okrem modelovania zložky Dark Matter sme zahrnuli aj najmodernejšie recepty na tvorbu hviezd, účinky supernov a čiernych dier, tvorbu kovov. atď.”
Tím potom porovnal výsledky navzájom, aby identifikoval charakteristické podpisy, ktoré by ich navzájom odlišovali. Zistili, že pre mnoho simulácií boli účinky tohto interaktívneho Temného Mattera príliš malé na to, aby boli viditeľné. Boli však prítomné niekoľkými odlišnými spôsobmi, najmä tak, že vzdialené galaxie sú distribuované v celom priestore.
Toto pozorovanie je zvlášť zaujímavé, pretože v budúcnosti sa môže testovať pomocou nástrojov novej generácie. "Spôsob, ako to dosiahnuť, je zmapovať maličkosť vesmíru v týchto raných časoch pri pohľade na distribúciu plynného vodíka," vysvetlil Dr. Bose. "Z pozorovania sa jedná o dobre zavedenú techniku: môžeme pozorovať neutrálny vodík v ranom vesmíre sledovaním spektier vzdialených galaxií (zvyčajne kvázarov)."
Stručne povedané, svetlo, ktoré k nám cestuje zo vzdialených galaxií, musí prejsť cez medzigalaktické médium. Ak je v zasahujúcom médiu veľa neutrálneho vodíka, emisné línie z galaxie budú čiastočne absorbované, zatiaľ čo ak bude ich málo, nebudú ovplyvnené. Ak je temná hmota skutočne zima, prejaví sa vo forme „ľahšej“ distribúcie plynného vodíka, zatiaľ čo scenár WDM bude mať za následok oscilujúce hrče.
V súčasnosti astronomické nástroje nemajú potrebné rozlíšenie na meranie oscilácií plynného vodíka v ranom vesmíre. Ale ako naznačil Dr. Bose, tento výskum by mohol poskytnúť impulz pre nové experimenty a nové zariadenia, ktoré by boli schopné tieto pozorovania urobiť.
Napríklad, IR prístroj ako James Webb Space Telescope (JWST) by sa mohol použiť na vytvorenie nových máp distribúcie absorpcie plynného vodíka. Tieto mapy by dokázali buď potvrdiť vplyv interaktívnej tmavej hmoty alebo ju vylúčiť ako kandidáta. Dúfame tiež, že tento výskum bude inšpirovať ľudí, aby mysleli na kandidátov nad rámec tých, ktoré už boli zohľadnené.
Nakoniec, Dr. Bose povedal, že skutočná hodnota pochádza zo skutočnosti, že tieto druhy teoretických predpovedí môžu podnietiť pozorovania k novým hraniciam a testovať hranice toho, čo si myslíme, že vieme. „A to je všetko, čo veda skutočne je,“ dodal, „urobil predpoveď, navrhol metódu na jej testovanie, vykonal experiment a potom obmedzil / vylúčil teóriu!“
