Astronomowie odkrywają nowy związek między ciemną materią a skupiskami wszechświata

W badaniu opublikowanym dzisiaj w Journal of Cosmology and Astroarticle PhysicsNaukowcy z University of Toronto dokonali teoretycznego przełomu, który może wyjaśnić zarówno niewidzialną naturę ciemnej materii, jak i wielkoskalową strukturę wszechświata znaną jako kosmiczna sieć. Wynik ustanawia nowe powiązanie między tymi dwoma długotrwałymi problemami w astronomii, otwierając nowe możliwości zrozumienia wszechświata.

Badania sugerują, że „problem zbrylania się”, który koncentruje się na nieoczekiwanie równomiernym rozkładzie materii w dużych skalach w całym wszechświecie, może być oznaką, że ciemna materia składa się z hipotetycznych ultralekkich cząstek zwanych aksjonami. Konsekwencje udowodnienia istnienia trudnych do wykrycia osi wykraczają daleko poza zrozumienie ciemnej materii i mogą odpowiedzieć na fundamentalne pytania dotyczące natury samego wszechświata.

„Jeśli potwierdzą to przyszłe obserwacje teleskopowe i eksperymenty laboratoryjne, znalezienie ciemnej materii aksjonowej będzie jednym z najważniejszych odkryć tego stulecia” – mówi główny autor Keir Rogers, członek Dunlap Institute for Astronomy and Astrophysics w College of Arts i Astrofizyka. nauki na Uniwersytecie w Toronto.

„Jednocześnie nasze wyniki wskazują na wyjaśnienie, dlaczego Wszechświat jest mniej nierówny, niż myśleliśmy, obserwacja, która stała się bardziej wyraźna w ciągu ostatniej dekady i obecnie pozostawia naszą teorię wszechświata niepewną”.

Ciemna materia, która stanowi 85% masy wszechświata, jest niewidoczna, ponieważ nie oddziałuje ze światłem. Naukowcy badają wpływ grawitacji na widzialną materię, aby zrozumieć, w jaki sposób jest ona rozmieszczona we wszechświecie.

Jedna z wiodących teorii sugeruje, że ciemna materia składa się z aksjonów, określanych w mechanice kwantowej jako „rozmyte” ze względu na ich falowe zachowanie. W przeciwieństwie do dyskretnych cząstek punktowych, aksjony mogą mieć dłuższe długości fal niż całe galaktyki. Ta nieostrość wpływa na skład i rozkład ciemnej materii, co może wyjaśniać, dlaczego Wszechświat jest mniej nierówny, niż można by się spodziewać po wszechświecie bez osi.

Ten brak zlepiania zaobserwowano podczas przeglądów dużych galaktyk, podważając inną dominującą teorię, że ciemna materia składa się wyłącznie ze słabo oddziałujących ciężkich cząstek subatomowych zwanych WIMP. Pomimo eksperymentów, takich jak Wielki Zderzacz Hadronów, nie znaleziono żadnych dowodów na istnienie WIMP.

„W nauce, kiedy odkrywa się idee, dokonuje się nowych odkryć i rozwiązuje stare problemy” – mówi Rogers.

W celu przeprowadzenia badania zespół badawczy — kierowany przez Rogersa, w skład którego wchodzą członkowie grupy badawczej profesor nadzwyczajnej Renee Hluczek w Dunlap Institute, a także z University of Pennsylvania, Institute for Advanced Study, Columbia University i King’s College London — przeanalizowali obserwacje światła pozostałego po Wielkim Wybuchu, zwanego inaczej mikrofalami kosmicznymi (CMB), uzyskane z przeglądów Planck 2018 oraz Atacama Cosmology and South Pole Telescope.

Naukowcy porównali te dane CMB z danymi dotyczącymi gromad galaktyk z badania Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS), które mapuje położenie prawie miliona galaktyk w pobliskim wszechświecie. Badając rozmieszczenie galaktyk, które odzwierciedla zachowanie ciemnej materii pod wpływem sił grawitacyjnych, zmierzyli fluktuacje ilości materii we wszechświecie i potwierdzili jej niższą masę w porównaniu z przewidywaniami.

Następnie naukowcy przeprowadzili symulacje komputerowe, aby przewidzieć pojawienie się resztek światła i rozmieszczenie galaktyk we wszechświecie o długich falach ciemnej materii. Obliczenia te są zgodne z danymi CMB z Wielkiego Wybuchu i danymi dotyczącymi klastrów galaktyk, potwierdzając ideę, że rozmyte osie mogą wyjaśniać problem grupowania.

Przyszłe badania obejmą wielkoskalowe przeglądy w celu zmapowania milionów galaktyk i dostarczenia dokładnych pomiarów tworzenia się klastrów, w tym obserwacje w ciągu następnej dekady za pomocą Obserwatorium Rubina.

Naukowcy mają nadzieję porównać swoją teorię z bezpośrednimi obserwacjami ciemnej materii za pomocą soczewkowania grawitacyjnego, efektu, w którym aglomeracja ciemnej materii jest mierzona poprzez zakrzywienie światła z odległych galaktyk, podobnie jak w przypadku gigantycznego szkła powiększającego. Planują również zbadać, w jaki sposób galaktyki wyrzucają gaz w przestrzeń kosmiczną i jak wpływa to na rozkład ciemnej materii, aby jeszcze bardziej potwierdzić swoje odkrycia.

Zrozumienie natury ciemnej materii jest jednym z najbardziej palących fundamentalnych pytań i kluczem do zrozumienia pochodzenia i przyszłości wszechświata.

Obecnie naukowcy nie mają jednej teorii, która wyjaśniałaby jednocześnie grawitację i mechanikę kwantową – teorii wszystkiego. Najpopularniejszą teorią wszystkiego w ciągu ostatnich kilku dekad jest teoria strun, która zakłada inny, niższy poziom poziomu kwantowego, gdzie wszystko składa się ze wzbudzeń energii podobnej do struny. Według Rogersa odkrycie tajemniczej cząstki osiowej może być wskazówką, że teoria strun wszystkiego jest poprawna.

„Mamy teraz narzędzia, które nawet w następnej dekadzie pozwolą nam wreszcie empirycznie zrozumieć stuletnią tajemnicę ciemnej materii – i to może dać nam wskazówki dotyczące odpowiedzi na większe pytania teoretyczne” – mówi Rogers. . „Mamy nadzieję, że zagadkowe elementy wszechświata da się rozwiązać”.