Со времени «Золотого века общей теории относительности» в 1960-х годах ученые считали, что большая часть Вселенной состоит из таинственной невидимой массы, известной как «Темная материя». С тех пор ученые пытались раскрыть эту тайну с помощью двойного подхода. С одной стороны, астрофизики пытались найти потенциальную частицу, которая могла бы составлять эту массу.
С другой стороны, астрофизики пытались найти теоретическую основу, которая могла бы объяснить поведение Темной Материи. До сих пор спор был сосредоточен на вопросе, является ли он «горячим» или «холодным», а холод обладает преимуществом благодаря своей относительной простоте. Тем не менее, новое исследование, проведенное во главе с Гарвард-Смитсоновским центром астрофизики (CfA)
Это было основано на космологическом моделировании формирования галактики с использованием модели Вселенной, включающей в себя интерактивную Темную Материю. Моделирование проводилось международной группой исследователей из CfA, Института астрофизики и космических исследований им. М.В. Кавли при Массачусетском технологическом институте, Института астрофизики им. Лейбница в Потсдаме и нескольких университетов. Исследование недавно появилось в Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества.
Когда дело доходит до этого, Темная Материя имеет соответствующее имя. Для начала, он составляет около 84% массы Вселенной, но не излучает, не поглощает и не отражает свет или любую другую известную форму излучения. Во-вторых, он не имеет электромагнитного заряда и не взаимодействует с другим веществом, кроме как через гравитацию, самую слабую из четырех фундаментальных сил.
В-третьих, он не состоит из атомов или их обычных строительных блоков (то есть электронов, протонов и нейтронов), что способствует его таинственной природе. В результате ученые предполагают, что он должен состоять из какого-то нового вида вещества, которое согласуется с законами Вселенной, но не обнаруживается в исследованиях по физике элементарных частиц.
Несмотря на свою истинную природу, Темная Материя оказала глубокое влияние на эволюцию космоса примерно через 1 миллиард лет после Большого взрыва и далее. На самом деле, считается, что он сыграл ключевую роль во всем, от образования галактик до распределения излучения космического микроволнового фона (CMB).
Более того, космологические модели, учитывающие роль, которую играет Темная Материя, подтверждаются наблюдениями за этими двумя очень разными типами космических структур. Кроме того, они согласуются с космическими параметрами, такими как скорость, с которой расширяется Вселенная, на которую сама оказывает влияние таинственная невидимая сила (известная как «Темная энергия»).
В настоящее время наиболее широко принятые модели Темной Материи предполагают, что он не взаимодействует с какими-либо другими видами материи или излучения (включая себя), кроме влияния гравитации, то есть, что он «холодный». Это то, что известно как сценарий холодной темной материи (CDM), который часто сочетается с теорией темной энергии (представленной лямбда) в форме космологической модели LCDM.
Эта теоретическая форма Темной Материи также упоминается как
«[CDM] является наиболее хорошо протестированной и предпочтительной моделью. Это связано прежде всего с тем, что в течение последних четырех десятилетий люди усердно трудились, чтобы делать прогнозы, используя холодную темную материю в качестве стандартной парадигмы - их затем сравнивают с реальными данными - и обнаруживают, что в целом эта модель способна воспроизводить широкий спектр наблюдаемых явлений в широком диапазоне масштабов ».
Как он описывает это, сценарий холодной Темной Материи стал лидером после того, как численное моделирование космической эволюции проводилось с использованием «горячей Темной Материи» - в данном случае, нейтрино. Это субатомные частицы, которые очень похожи на
Это моделирование показало, что предсказанные распределения выглядят совсем не так, как Вселенная сегодня », - добавил Бозе. «По этой причине стал рассматриваться противоположный предел - частицы, которые при рождении практически не имеют скорости (он же« холодный »). Модели, которые включали этого кандидата, в большей степени соответствуют современным наблюдениям Вселенной.
«Выполнив те же испытания кластеризации галактик, что и раньше, астрономы нашли поразительное согласие между моделируемой и наблюдаемой вселенными. В последующие десятилетия холодная частица была проверена с помощью более строгих, нетривиальных испытаний, чем просто кластеризация галактик, и она, как правило, прошла каждый из них с летающими цветами ».
Другим источником привлекательности является тот факт, что холодная Темная Материя (по крайней мере теоретически) должна быть обнаружена прямо или косвенно. Тем не менее, именно здесь CDM сталкивается с проблемами, так как все попытки обнаружить единственную частицу пока не увенчались успехом. Таким образом, космологи взялись за рассмотрение других возможных кандидатов, которые имели бы еще меньшие уровни взаимодействия с другим веществом.
Это то, что Sownak Bose, астроном из CfA, стремился выяснить с его командой исследователей. Ради своего исследования они сосредоточились на «теплом» кандидате Dark Matter. Частицы этого типа обладают способностью тонко взаимодействовать с очень легкими частицами, которые движутся со скоростью, близкой к скорости света, хотя и в меньшей степени, чем более интерактивные «горячие» разновидности.
В частности, он мог бы взаимодействовать с нейтрино, бывшим лидером по сценарию HDM. Считается, что нейтрино были очень распространены во время горячей ранней Вселенной, поэтому присутствие взаимодействующей Темной Материи имело бы сильное влияние.
«В этом классе моделей частице Темной Материи разрешено иметь конечное (но слабое) взаимодействие с излучающими видами, такими как фотоны или нейтрино», - сказал доктор Бозе. «Эта связь оставляет довольно уникальный отпечаток в« комковатости »Вселенной в ранние времена, что довольно сильно отличается от того, что можно было бы ожидать, если бы Темная Материя была холодной частицей».
Чтобы проверить это, команда провела современное космологическое моделирование на суперкомпьютерных установках в Гарварде и Исландском университете. Эти симуляции учитывали, как на формирование галактики будет влиять присутствие как теплой, так и темной материи, примерно от 1 миллиарда после Большого взрыва до 14 миллиардов лет (примерно в настоящее время). Сказал доктор Бозе указал:
«[Мы] запустили компьютерное моделирование, чтобы генерировать реализации того, как эта Вселенная может выглядеть после 14 миллиардов лет эволюции. В дополнение к моделированию компонента Темной материи мы также включили современные рецепты звездообразования, влияния сверхновых и черных дыр, образования металлов так далее.”
Затем команда сравнила результаты друг с другом, чтобы определить характерные сигнатуры, которые отличали бы одну от другой. Они обнаружили, что для многих симуляций эффекты этого интерактивного Dark Matter были слишком малы, чтобы их можно было заметить. Однако они присутствовали по-разному, особенно в том, как отдаленные галактики распределены по всему пространству.
Это наблюдение особенно интересно, потому что оно может быть проверено в будущем с использованием инструментов следующего поколения. «Способ сделать это - отобразить комковатость Вселенной в эти ранние времена, наблюдая за распределением газообразного водорода», - пояснил доктор Бозе. «Наблюдение - это хорошо зарекомендовавший себя метод: мы можем исследовать нейтральный водород в ранней Вселенной, взглянув на спектры далеких галактик (обычно квазаров)».
Короче говоря, свет, идущий к нам из далеких галактик, должен проходить через межгалактическую среду. Если в промежуточной среде много нейтрального водорода, эмиссионные линии из галактики будут частично поглощены, тогда как они будут беспрепятственными, если их мало. Если Dark Matter действительно холодный, он проявится в виде гораздо более «комковатого» распределения газообразного водорода, в то время как сценарий WDM приведет к колебаниям комков.
В настоящее время астрономические приборы не имеют необходимого разрешения для измерения колебаний газообразного водорода в ранней Вселенной. Но, как указал д-р Бозе, это исследование может дать толчок новым экспериментам и новым возможностям, которые смогут сделать эти наблюдения.
Например, инфракрасный инструмент, такой как Космический телескоп Джеймса Вебба (JWST) можно использовать для создания новых карт распределения поглощения газообразного водорода. Эти карты смогут либо подтвердить влияние интерактивного Dark Matter, либо исключить его в качестве кандидата. Также следует надеяться, что это исследование вдохновит людей думать о кандидатах помимо тех, которые уже были рассмотрены.
В конце концов, сказал доктор Бозе, реальная ценность заключается в том факте, что такого рода теоретические предсказания могут стимулировать наблюдения в новых границах и проверять границы того, что мы думаем, что знаем. «И это все, чем на самом деле является наука, - добавил он, - делая прогноз, предлагая метод его проверки, проводя эксперимент, а затем ограничивая / исключая теорию!»
