Ciemna materia może kryć jeszcze mroczniejszy sekret

Niemożliwa do uchwycenia przez teleskop i daleka od pełnego zrozumienia, ciemna materia jest jednak wszędzie.

Najgłębsze tajemnice ciemnej materii dotyczą jej natury i zachowania. Dominującą koncepcją dotyczącą ciemnej materii jest teoria zimnej ciemnej materii (CDM), która zakłada, że ​​ciemna materia składa się z cząstek o małej prędkości, które nie oddziałują ze sobą. To myślenie zostało omówione i ponownie podlega dyskusji. Zespół badaczy kierowany przez astrofizyka Hai Bo Yu z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Kalifornii wpadł na alternatywny pomysł wyjaśniający ekstrema, w których zimna ciemna materia nie działa tak dobrze.

Uważa się, że galaktyki i gromady galaktyk są otoczone aureolami ciemnej materii. Po jednej stronie debaty znajdują się galaktyczne halo ciemnej materii, które są zbyt gęste, aby były kompatybilne z CDM, a po drugiej stronie są galaktyczne halo ciemnej materii, które są zbyt rozproszone, aby CDM mógł je zrozumieć. Zamiast tego Yu i jego koledzy sugerują, że jakaś mroczna siła (przepraszam, fani Gwiezdnych Wojen – nie the siła) powoduje, że cząsteczki ciemnej materii zderzają się ze sobą. To samooddziałująca ciemna materia (SIDM).

Pomysł interakcji niewidzialnych cząstek, albo odpychania się nawzajem i na zewnątrz w rozproszonej koronie, albo bliżej siebie i do wewnątrz w gęstej koronie, może być tym, czego szukaliśmy w ciemności. Ale po pierwsze, dlaczego ciemną materię w przeważającej mierze uważa się za zimną?

Zagubiony w ciemności

Ciemna materia jest „ciemna”, ponieważ jej interakcje z materią widzialną i promieniowaniem elektromagnetycznym są albo słabe, albo nieistniejące. Żadne światło nie jest w stanie go oświetlić, ponieważ nie jest ono w stanie wchodzić w znaczące interakcje z żadnym rodzajem promieniowania elektromagnetycznego. Powodem, dla którego ciemną materię określa się jako „zimną”, przynajmniej zgodnie z teorią zimnej ciemnej materii, jest to, że uważa się, że powolne cząstki poruszają się znacznie wolniej niż prędkość światła.

CDM pozostaje standardowym modelem ciemnej materii, ponieważ służy do budowy i utrzymywania struktur kosmicznych, takich jak galaktyki. Gdyby ciemna materia była zimna, mogłaby gromadzić się i agregować łatwiej, niż gdyby podróżowała przez próżnię kosmiczną, co miałoby miejsce, gdyby cała ciemna materia była „gorąca” lub składała się z lżejszych cząstek poruszających się z dużymi prędkościami. Cząstki gorącej ciemnej materii byłyby zbyt szybkie, aby tworzyć struktury przez długi czas i mogłyby spłaszczyć wszelkie istniejące struktury, z którymi się zderzą. Ciepła ciemna materia mieści się gdzieś pomiędzy zimnem a gorącym.

Nie wiadomo, ile rodzajów ciemnej materii istnieje. Niektórzy naukowcy upierają się, że cała ciemna materia jest zimna, podczas gdy inni twierdzą, że istnieje więcej niż jeden jej typ.

Chociaż CDM nie twierdzi, że ta niewidzialna materia jest całkowicie nieruchoma, nie pozwala na zderzenie wielu cząstek ciemnej materii. Tutaj właśnie wkracza SIDM.

Rzuć więcej światła

Chociaż gorąca i ciepła ciemna materia znajdowała się poza zakresem ich badań, Yu i jego zespół sprawdzili, czy SIDM może wyjaśnić jeden aspekt zimnej ciemnej materii, który tak naprawdę nie działa: ma trudności z wyjaśnieniem bardzo gęstych, bardzo rozproszonych halo ciemnej materii.

„W [diffuse scenario]Interakcje przenoszą ciepło z zewnętrznych do wewnętrznych obszarów korony, zmniejszając gęstość centralną; w [dense scenario]„Kierunek przepływu ciepła odwraca się, a korona wewnętrzna staje się gęstsza niż jej odpowiednik w CDM” – stwierdzili w oświadczeniu. Zostań Został on niedawno opublikowany w The Astrophysical Journal Letters.

Galaktyki ultradyfuzyjne UDG to szczególnie słabe galaktyki karłowate, ponieważ ich gwiazdy są rozproszone w dużych odległościach od siebie. Gaz gwiazdotwórczy jest zbyt rozrzedzony, aby wytworzyć wiele nowych gwiazd. Halo ciemnej materii w ultrarozproszonej galaktyce sięga znacznie dalej niż w zwykłej galaktyce karłowatej, co nie powinno mieć miejsca w przypadku niekolidujących cząstek zaproponowanych przez CDM – cząstki, które nie oddziałują, byłyby bliżej siebie i tworzyły gęstsze halo z krótszym zasięgiem. SIDM umożliwia cząstkom zderzanie się i przenoszenie ciepła, a wynikająca z tego ekspansja ciemnej materii może wyjaśniać, dlaczego te aureole są tak powszechne.

Drugi scenariusz dotyczy halo ciemnej materii, które są tak gęste, że wpływają na soczewkowanie grawitacyjne. Te gęste halo zawierają wystarczającą ilość ciemnej materii, aby zagiąć czasoprzestrzeń, w wyniku czego zakrzywione zostanie również światło przechodzące przez ten obszar przestrzeni. Z powodu tych zaburzeń obiekt znajdujący się za galaktyką soczewkowatą jest powiększony, choć często w nieco zniekształcony sposób. SIDM obsługuje również stężenia ciemnej materii wystarczające, aby wpłynąć na soczewkowanie grawitacyjne, ponieważ zderzające się cząstki powinny być w stanie skierować się zarówno do wewnątrz, jak i na zewnątrz. Cząsteczki zderzające się ze sobą zwiększają gęstość korony, a ich rój może utworzyć ogromny bąbel ciemnej materii, który wytwarza soczewkowanie grawitacyjne.

Pod wieloma względami wciąż nie mamy pojęcia o ciemnej materii. Dopóki nie będzie sposobu na ich bezpośrednie wykrycie, będziemy musieli polegać na pracach teoretycznych, aby sprawdzić, czy pomysły takie jak SIDM mogą być w jakikolwiek sposób przydatne. Być może pewnego dnia będziemy dysponować metodą bezpośredniego wykrywania, która w końcu rzuci światło na tajemnice ciemnej materii.

The Astrophysical Journal Letters, 2023. DOI: 10.3847/2041-8213/ad0e09