Od „Zlatého věku obecné relativity“ v šedesátých letech dvacátého století vědci usoudili, že velká část vesmíru sestává z tajemné neviditelné hmoty známé jako „temná hmota“. Od té doby se vědci pokoušejí vyřešit toto tajemství dvojitým přístupem. Na jedné straně se astrofyzici pokusili najít kandidátní částici, která by mohla odpovídat za tuto hmotu.
Na druhé straně se astrofyzici pokusili najít teoretický základ, který by mohl vysvětlit chování Temné hmoty. Debata se zatím soustředila na otázku, zda je „horká“ nebo „studená“, přičemž chlad se těší díky své relativní jednoduchosti. Nová studie vedená Harvard-Smithsonianským centrem pro astrofyziku (CfA)
Toto bylo založeno na kosmologických simulacích formování galaxií pomocí modelu vesmíru, který obsahoval interaktivní temnou hmotu. Simulace byly provedeny mezinárodním týmem vědců z CfA, Institutu pro astrofyziku a vesmírný výzkum MIT, MIT Institutu pro astrofyziku v Postupimi v Leibnizu a několika univerzitami. Studie se nedávno objevila v EU Měsíční oznámení Královské astronomické společnosti.
Když to přijde přímo na to, Dark Matter je vhodně pojmenován. Pro začátek tvoří asi 84% hmoty vesmíru, ale nevyzařuje, neabsorbuje ani neodráží světlo ani žádnou jinou známou formu záření. Za druhé, nemá elektromagnetický náboj a nereaguje s jinou hmotou kromě gravitace, nejslabší ze čtyř základních sil.
Zatřetí se neskládá z atomů nebo jejich obvyklých stavebních bloků (tj. Elektronů, protonů a neutronů), což přispívá k jeho záhadné povaze. V důsledku toho se vědci domnívají, že se musí skládat z nějakého nového druhu hmoty, který je v souladu se zákony vesmíru, ale neobjevuje se v konvenčním výzkumu fyziky částic.
Bez ohledu na její skutečnou povahu má temná hmota hluboký vliv na vývoj vesmíru od asi 1 miliardy let po Velkém třesku kupředu. Ve skutečnosti se předpokládá, že hrál klíčovou roli ve všem, od formování galaxií po distribuci záření Cosmic Microwave Background (CMB).
Kosmologické modely, které zohledňují roli, kterou hraje temná hmota, jsou navíc podpořeny pozorováním těchto dvou velmi odlišných typů kosmických struktur. Rovněž jsou v souladu s kosmickými parametry, jako je rychlost, jakou se vesmír rozšiřuje, což je samo o sobě ovlivněno tajemnou, neviditelnou silou (známou jako „temná energie“).
V současné době se nejběžněji přijímané modely Dark Matter domnívají, že neovlivňuje žádný jiný druh hmoty nebo záření (včetně sebe sama) mimo vliv gravitace - tj. Že je „studený“. Toto je známé jako scénář Cold Dark Matter (CDM), který je často kombinován s teorií temné energie (představované Lambdou) ve formě kosmologického modelu LCDM.
Tato teoretická forma Temné hmoty je také označována jako
„[CDM] je nejvíce osvědčený a preferovaný model. Důvodem je především to, že za poslední čtyři desetiletí lidé tvrdě pracovali, aby předpovídali pomocí studené temné hmoty jako standardního paradigmatu - tyto jsou pak porovnávány se skutečnými údaji - se zjištěním, že tento model je obecně schopen reprodukovat širokou škálu pozorovaných jevů v široké škále měřítek. “
Jak popisuje, studený scénář temné hmoty se stal průkopníkem poté, co numerické simulace kosmického vývoje probíhaly pomocí „horké temné hmoty“ - v tomto případě neutrina. Jedná se o subatomické částice, které jsou velmi podobné
Tyto simulace ukázaly, že předpokládané distribuce nevypadaly jako vesmír dnes, “dodal Bose. "Z tohoto důvodu se začalo uvažovat o opačném limitu, o částicích, které mají při narození téměř žádnou rychlost (aka." Studený "). Simulace, které zahrnovaly tohoto kandidáta, vyhovovaly moderním pozorováním Vesmíru mnohem blíže.
"Po provedení stejných testů shlukování galaxií jako předtím, astronomové našli překvapivou shodu mezi simulovaným a pozorovaným vesmírem." V následujících desetiletích byla studená částice testována přísnějšími, netriviálními testy, než pouhé shlukování galaxií, a každá z nich obecně prošla létajícími barvami. “
Dalším zdrojem odvolání je skutečnost, že studená temná hmota (alespoň teoreticky) by měla být detekovatelná přímo nebo nepřímo. Zde však dochází k problémům s CDM, protože všechny pokusy o detekci jediné částice dosud selhaly. Kosmologové proto zvažovali další možné kandidáty, kteří by měli ještě menší míru interakce s jinou hmotou.
To je to, co se Sownak Bose, astronom s CfA, pokusil zjistit se svým týmem vědců. Kvůli studiu se zaměřili na „teplého“ kandidáta na temnou hmotu. Tento typ částice by měl schopnost jemně interagovat s velmi lehkými částicemi, které se pohybují blízko rychlosti světla, i když méně než interaktivnější „horká“ odrůda.
Zejména by mohla být schopna interagovat s neutriny, bývalým front-runnerem pro scénář HDM. Neutrina jsou považována za velmi převládající během horkého raného vesmíru, takže přítomnost interagujících temných látek by měla silný vliv.
"V této třídě modelů může částice Temné hmoty mít konečnou (ale slabou) interakci s radiačním druhem, jako jsou fotony nebo neutrina," řekl Dr. Bose. "Tato vazba zanechává v rané době poněkud jedinečný otisk ve" hrůze "vesmíru, což je docela odlišné od toho, co by se dalo očekávat, kdyby byla temná hmota studenou částicí."
Aby to bylo možné otestovat, provedl tým nejmodernější kosmologické simulace v superpočítačových zařízeních na Harvardu a na Islandské univerzitě. Tyto simulace uvažovaly o tom, jak by byla formace galaxie ovlivněna přítomností teplé i temné hmoty od asi 1 miliardy po Velkém třesku do 14 miliard let (zhruba současnost). Řekl Dr. Bose:
„Udělali jsme počítačové simulace, abychom vytvořili realizace toho, jak by tento vesmír mohl vypadat po 14 miliardách let vývoje. Kromě modelování komponenty Dark Matter jsme zahrnuli také nejmodernější předpisy pro tvorbu hvězd, účinky supernov a černých děr, tvorbu kovů atd.”
Tým poté porovnal výsledky navzájem, aby identifikoval charakteristické podpisy, které by odlišovaly jeden od druhého. Zjistili, že pro mnoho simulací byly účinky této interaktivní temné hmoty příliš malé na to, aby byly patrné. Byly však přítomny několika odlišnými způsoby, zejména tak, že vzdálené galaxie jsou rozmístěny v celém vesmíru.
Toto pozorování je obzvláště zajímavé, protože jej lze v budoucnu testovat pomocí nástrojů nové generace. "Způsob, jak toho dosáhnout, je zmapovat bujnost vesmíru v těchto raných dobách při pohledu na distribuci plynného vodíku," vysvětlil Dr. Bose. "Pozorujeme, že se jedná o dobře zavedenou techniku: můžeme měřit neutrální vodík v časném vesmíru při pohledu na spektra vzdálených galaxií (obvykle kvasary)."
Stručně řečeno, světlo, které k nám cestuje ze vzdálených galaxií, musí projít intergalaktickým prostředím. Pokud je v intervenčním médiu hodně neutrálního vodíku, emisní linie z galaxie budou částečně absorbovány, zatímco pokud bude málo, budou neomezené. Pokud je temná hmota opravdu chladná, objeví se ve formě mnohem „levnější“ distribuce plynného vodíku, zatímco scénář WDM bude mít za následek oscilační hrudky.
V současné době astronomické nástroje nemají potřebné rozlišení pro měření oscilací plynného vodíku v časném vesmíru. Ale jak naznačil Dr. Bose, tento výzkum by mohl poskytnout podnět pro nové experimenty a nová zařízení, která by byla schopna tato pozorování provést.
Například, IR nástroj jako James Webb Space Telescope (JWST) lze použít k vytvoření nových map distribuce absorpce plynného vodíku. Tyto mapy by dokázaly buď potvrdit vliv interaktivního temného materiálu nebo jej vyloučit jako kandidáta. Rovněž se očekává, že tento výzkum bude inspirovat lidi, aby přemýšleli o kandidátech nad rámec těch, které již byly zváženy.
Nakonec, Dr. Bose řekl, skutečná hodnota vychází ze skutečnosti, že tyto druhy teoretických předpovědí mohou podnítit pozorování do nových hranic a testovat hranice toho, co si myslíme, že víme. "A to je všechno, co věda opravdu je," dodal, "vytvořil předpověď, navrhl metodu pro její testování, provedl experiment a poté omezil / vyloučil teorii!"
