Η σκοτεινή ύλη μπορεί να κρύβει ένα ακόμα πιο σκοτεινό μυστικό

Είναι αδύνατο να απεικονίσει ένα τηλεσκόπιο και απέχει πολύ από το να είναι πλήρως κατανοητό, η σκοτεινή ύλη είναι ωστόσο παντού.

Τα βαθύτερα μυστήρια της σκοτεινής ύλης σχετίζονται με τη φύση και τη συμπεριφορά της. Η κυρίαρχη ιδέα σχετικά με τη σκοτεινή ύλη είναι η θεωρία της ψυχρής σκοτεινής ύλης (CDM), η οποία υποστηρίζει ότι η σκοτεινή ύλη αποτελείται από σωματίδια χαμηλής ταχύτητας που δεν αλληλεπιδρούν μεταξύ τους. Αυτή η σκέψη έχει συζητηθεί και είναι προς συζήτηση ξανά. Με επικεφαλής τον αστροφυσικό Hai Bo Yu, μια ομάδα ερευνητών από το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια Riverside έχει καταλήξει σε μια εναλλακτική ιδέα που εξηγεί τα άκρα όπου η ψυχρή σκοτεινή ύλη δεν λειτουργεί τόσο καλά.

Οι γαλαξίες και τα σμήνη γαλαξιών πιστεύεται ότι περιβάλλονται από φωτοστέφανα σκοτεινής ύλης. Στο ένα άκρο της συζήτησης υπάρχουν φωτοστέφανα γαλαξιακής σκοτεινής ύλης που είναι πολύ πυκνά για να είναι συμβατά με το CDM, και στο άλλο άκρο βρίσκονται φωτοστέφανα γαλαξιακής σκοτεινής ύλης που είναι πολύ διάχυτα για να τα κατανοήσει το CDM. Ο Yu και οι συνάδελφοί του προτείνουν αντ’ αυτού κάποια σκοτεινή δύναμη (συγγνώμη θαυμαστές του Star Wars – όχι ο δύναμη) προκαλεί σύγκρουση μεταξύ των σωματιδίων της σκοτεινής ύλης. Αυτή είναι η σκοτεινή ύλη που αλληλεπιδρά με τον εαυτό της ή SIDM.

Η ιδέα των αόρατων σωματιδίων που αλληλεπιδρούν, είτε σπρώχνοντας το ένα το άλλο μακριά και προς τα έξω σε ένα διάχυτο στέμμα, είτε πιο κοντά μεταξύ τους και προς τα μέσα σε ένα πυκνό στέμμα, μπορεί να είναι αυτό που αναζητούσαμε στο σκοτάδι. Αλλά πρώτα, γιατί η σκοτεινή ύλη θεωρείται ως επί το πλείστον ψυχρή;

Χαμένος στο σκοτάδι

Η σκοτεινή ύλη είναι «σκοτεινή» επειδή οι αλληλεπιδράσεις της με την ορατή ύλη και την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία είναι είτε αδύναμες είτε ανύπαρκτες. Κανένα φως δεν μπορεί να το φωτίσει γιατί δεν είναι σε θέση να κάνει σημαντικές αλληλεπιδράσεις με οποιοδήποτε είδος ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Ο λόγος που η σκοτεινή ύλη περιγράφεται ως «ψυχρή», τουλάχιστον σύμφωνα με τη θεωρία της ψυχρής σκοτεινής ύλης, είναι ότι τα αργά σωματίδια πιστεύεται ότι κινούνται πολύ πιο αργά από την ταχύτητα του φωτός.

Το CDM παραμένει το τυπικό μοντέλο για τη σκοτεινή ύλη επειδή χρησιμεύει για την κατασκευή και τη διατήρηση κοσμικών δομών όπως οι γαλαξίες. Εάν η σκοτεινή ύλη ήταν κρύα, θα μπορούσε να συλλέγεται και να συσσωρεύεται πιο εύκολα από ό,τι αν ταξίδευε μέσα στο κενό του διαστήματος, κάτι που θα συνέβαινε αν όλη η σκοτεινή ύλη ήταν «καυτή» ή αποτελούμενη από ελαφρύτερα σωματίδια που κινούνταν με υψηλές ταχύτητες. Τα σωματίδια της καυτής σκοτεινής ύλης θα ήταν πολύ γρήγορα για να σχηματίσουν δομές για μεγάλες χρονικές περιόδους και θα μπορούσαν να ισοπεδώσουν τυχόν υπάρχουσες δομές με τις οποίες συγκρούονται. Η θερμή σκοτεινή ύλη πέφτει κάπου μεταξύ ψυχρού και ζεστού.

Πόσα είδη σκοτεινής ύλης υπάρχουν στην πραγματικότητα είναι άγνωστο. Μερικοί επιστήμονες επιμένουν ότι όλη η σκοτεινή ύλη είναι ψυχρή, ενώ άλλοι υποστηρίζουν ότι υπάρχουν περισσότεροι από ένας τύποι.

Αν και το CDM δεν λέει ότι αυτή η αόρατη ύλη είναι εντελώς ακίνητη, δεν επιτρέπει σε πολλά σωματίδια της σκοτεινής ύλης να συγκρούονται. Εδώ μπαίνει το SIDM.

Ρίξτε περισσότερο φως

Ενώ η καυτή και ζεστή σκοτεινή ύλη ήταν εκτός του πεδίου της μελέτης τους, ο Yu και η ομάδα του εξέτασαν εάν το SIDM μπορούσε να εξηγήσει μια πτυχή της ψυχρής σκοτεινής ύλης που δεν λειτουργεί πραγματικά: δυσκολεύεται να εξηγήσει πολύ πυκνά, πολύ διάχυτα φωτοστέφανα σκοτεινής ύλης.

“Στο [diffuse scenario]Οι αλληλεπιδράσεις μεταφέρουν θερμότητα από τις εξωτερικές στις εσωτερικές περιοχές της κορώνας, μειώνοντας την κεντρική πυκνότητα. Στο [dense scenario]«Η κατεύθυνση της ροής θερμότητας αντιστρέφεται και το εσωτερικό στέμμα γίνεται πιο πυκνό από το αντίστοιχο CDM», ανέφεραν σε μια δήλωση. Stady Δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο The Astrophysical Journal Letters.

Υπερδιάχυτοι γαλαξίες Οι UDG είναι ιδιαίτερα αμυδροί νάνοι γαλαξίες επειδή τα αστέρια τους είναι διάσπαρτα μακριά το ένα από το άλλο. Το αέριο που σχηματίζει αστέρια απλώνεται πολύ αραιά για να παράγει πολλά νέα αστέρια. Το φωτοστέφανο της σκοτεινής ύλης ενός εξαιρετικά διάχυτου γαλαξία φτάνει πολύ πιο μακριά από αυτό ενός κανονικού νάνου γαλαξία, κάτι που δεν θα έπρεπε να συμβεί με τα σωματίδια χωρίς σύγκρουση που προτείνονται από το CDM – τα σωματίδια που δεν αλληλεπιδρούν θα ήταν πιο κοντά μεταξύ τους και θα παράγουν ένα πυκνότερο φωτοστέφανο με Μικρότερη εμβέλεια. Το SIDM επιτρέπει στα σωματίδια να συγκρούονται και να μεταφέρουν θερμότητα και η προκύπτουσα διαστολή της σκοτεινής ύλης θα μπορούσε να εξηγήσει γιατί αυτά τα φωτοστέφανα είναι τόσο κοινά.

Το δεύτερο σενάριο ασχολείται με φωτοστέφανα σκοτεινής ύλης που είναι τόσο πυκνά που έχουν επίδραση στον βαρυτικό φακό. Αυτά τα πυκνά φωτοστέφανα περιέχουν αρκετή σκοτεινή ύλη για να κάμψουν τον χωροχρόνο, έτσι ώστε το φως που ταξιδεύει μέσα από αυτήν την περιοχή του διαστήματος να κάμπτεται επίσης. Εξαιτίας αυτών των διαταραχών, το αντικείμενο πίσω από τον φακοειδές γαλαξία μεγεθύνεται, αν και συχνά με κάπως παραμορφωμένο τρόπο. Το SIDM υποστηρίζει επίσης συγκεντρώσεις σκοτεινής ύλης επαρκείς για να επηρεάσουν τους βαρυτικούς φακούς, επειδή τα συγκρουόμενα σωματίδια θα πρέπει να μπορούν να δείχνουν τόσο προς τα μέσα όσο και προς τα έξω. Τα σωματίδια που συγκρούονται μεταξύ τους αυξάνουν την πυκνότητα του στέμματος και ένα σμήνος από αυτά μπορεί να σχηματίσει μια τεράστια φυσαλίδα σκοτεινής ύλης που παράγει βαρυτικό φακό.

Είμαστε ακόμα στο σκοτάδι σχετικά με τη σκοτεινή ύλη από πολλές απόψεις. Μέχρι να υπάρξει ένας τρόπος να τα εντοπίσουμε άμεσα, θα πρέπει να βασιστούμε σε θεωρητική εργασία για να δούμε αν ιδέες όπως το SIDM μπορούν να είναι χρήσιμες. Ίσως μια μέρα, θα έχουμε μια μέθοδο άμεσης ανίχνευσης που θα ρίξει επιτέλους φως στα μυστικά της σκοτεινής ύλης.

Επιστολές Αστροφυσικού Περιοδικού2023. Ψηφιακή ταυτότητα: 10.3847/2041-8213/ad0e09