Η σκοτεινή ύλη είναι από καιρό ένα από τα μεγάλα μυστήρια της αστρονομίας. Δεν μπορεί να φανεί ή να αγγιχτεί, ωστόσο η βαρυτική του επίδραση βοηθά στη διαμόρφωση της δομής μεγάλης κλίμακας των γαλαξιών και του σύμπαντος. Για δεκαετίες, οι επιστήμονες βασίζονται στο μοντέλο της «ψυχρής σκοτεινής ύλης» για να εξηγήσουν πώς σχηματίζονται και εξελίσσονται οι γαλαξίες. Αλλά καθώς τα τηλεσκόπια και οι παρατηρήσεις έχουν γίνει πιο ακριβείς, οι ερευνητές έχουν αποκαλύψει μια σειρά από εκπληκτικά χαρακτηριστικά που το τυπικό μοντέλο δυσκολεύεται να εξηγήσει.
Μεταξύ των μεγαλύτερων μυστηρίων είναι η εκπληκτικά χαμηλή πυκνότητα της σκοτεινής ύλης που βρίσκεται στα κέντρα κάποιων νάνων γαλαξιών και τα απροσδόκητα πυκνά σμήνη σκοτεινής ύλης που συνάγονται από ισχυρό βαρυτικό φακό. Αν και αυτές οι παρατηρήσεις φαίνεται να δείχνουν αντίθετες κατευθύνσεις, μια νέα μελέτη δείχνει ότι μπορεί να έχουν την ίδια υποκείμενη εξήγηση.
Μια νέα θεωρία για τη σκοτεινή ύλη
Οι φυσικοί στο Παρατηρητήριο Purple Mountain της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών (CAS) προτείνουν ότι η σκοτεινή ύλη μπορεί να μην αποτελείται από έναν μόνο τύπο σωματιδίου. Αντίθετα, μπορεί να αποτελείται από σωματίδια με διαφορετικές μάζες.
Το νέο τους μοντέλο “δύο συστατικών αυτο-αλληλεπιδρών σκοτεινής ύλης” περιέχει τουλάχιστον δύο τύπους σωματιδίων σκοτεινής ύλης, ένα βαρύ και ένα ελαφρύ. Εκτός από την αλληλεπίδραση μέσω της βαρύτητας, αυτά τα σωματίδια μπορούν να συγκρουστούν απευθείας μεταξύ τους. Αυτές οι αλληλεπιδράσεις οδηγούν σε μια διαδικασία που ονομάζεται «μαζικός διαχωρισμός».
Με απλά λόγια, τα βαριά σωματίδια της σκοτεινής ύλης παρασύρονται αργά προς τα κέντρα των γαλαξιών, ενώ τα ελαφρύτερα σωματίδια εξαπλώνονται προς τα έξω με την πάροδο του χρόνου. Οι ερευνητές συγκρίνουν αυτή τη συμπεριφορά με αυτή ενός αστρικού σμήνου, όπου τα πιο μαζικά αστέρια μεταναστεύουν σταδιακά προς τα μέσα και τα αστέρια μικρότερης μάζας απομακρύνονται από το κέντρο.
Οι προσομοιώσεις ταιριάζουν με τις κοσμικές παρατηρήσεις
Χρησιμοποιώντας προσομοιώσεις υπολογιστή υψηλής ανάλυσης σε συνδυασμό με λεπτομερή θεωρητική μοντελοποίηση, η ομάδα διαπίστωσε ότι ο διαχωρισμός μάζας αναπαράγει φυσικά ένα ευρύ φάσμα αστρονομικών παρατηρήσεων.
Στους νάνους γαλαξίες, η διαδικασία παράγει πυρήνες σκοτεινής ύλης με σχετικά χαμηλές κεντρικές πυκνότητες, σύμφωνα με πρόσφατες παρατηρήσεις σμήνους γαλαξιών. Σε μεγαλύτερα και πιο πολύπλοκα περιβάλλοντα, ορισμένες άλω σκοτεινής ύλης γίνονται όλο και πιο συμπαγείς, σχηματίζοντας πυκνές δομές ικανές να παράγουν ισχυρούς βαρυτικούς φακούς.
Το μοντέλο αυξάνει επίσης την πιθανότητα γεγονότων βαρυτικού φακού μικρής κλίμακας. Καθώς τα βαρύτερα σωματίδια της σκοτεινής ύλης συσσωρεύονται στην περιοχή του πυρήνα, οι υποδομές της σκοτεινής ύλης γίνονται πιο αποτελεσματικές στην ενίσχυση του φωτός από τους μακρινούς γαλαξίες του φόντου. Αυτό μπορεί να εξηγήσει γιατί οι αστρονόμοι παρατηρούν πιο δυνατά γεγονότα φακού σε μικρότερη κλίμακα από ό,τι προβλέπουν τα παραδοσιακά μοντέλα.
Μια πλούσια εικόνα του αόρατου σύμπαντος
Οι ερευνητές λένε ότι αυτοί οι φαινομενικά αντιφατικοί κοσμικοί γρίφοι μπορεί στην πραγματικότητα να οδηγούν στο ίδιο συμπέρασμα. Αντί να απαιτούν ξεχωριστές εξηγήσεις, μπορεί όλες να αντικατοπτρίζουν το γεγονός ότι η σκοτεινή ύλη έχει πιο πολύπλοκες εγγενείς ιδιότητες από ό,τι πιστεύαμε προηγουμένως.
Καθώς οι μελλοντικές έρευνες του ουρανού και οι παρατηρήσεις με βαρυτικό φακό γίνονται πιο ακριβείς, οι επιστήμονες θα έχουν νέες ευκαιρίες να ελέγξουν εάν η σκοτεινή ύλη αποτελείται πράγματι από πολλαπλά συστατικά. Αυτοί οι φυσικοί «κοσμικοί μεγεθυντικοί φακοί» μπορεί ακόμη να παρέχουν μερικά από τα ισχυρότερα στοιχεία για αυτή τη νέα εικόνα του αόρατου σύμπαντος.
Τα αποτελέσματα είναι η δεύτερη μελέτη από την ομάδα του Purple Mountain Observatory για τη διερεύνηση των δύο συνιστωσών της ίδιας της σκοτεινής ύλης που αλληλεπιδρά. Η προηγούμενη δουλειά τους δημοσιεύτηκε Φυσική εξέταση δεξέτασε πώς ο διαχωρισμός μάζας επηρεάζει το ευρύ φάσμα των πυκνοτήτων πυρήνα της σκοτεινής ύλης που παρατηρείται στους νάνους γαλαξίες. Δημοσιεύεται νέα έρευνα Επιστημονικό Δελτίο. Οι συγγραφείς της μελέτης είναι οι Daneng Yang, Yi-Zhong Fan, Siyuan Hou και Yu-Lin Sming Tsai.
Το Παρατηρητήριο Purple Mountain, μέρος της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών, είναι ένα από τα κορυφαία κέντρα της Κίνας για την έρευνα της σκοτεινής ύλης. Το ινστιτούτο διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στην έμμεση ανίχνευση της σκοτεινής ύλης με τον δορυφόρο DAMPE (Wukong) και διεξάγει επιρροή έρευνα στην αστροφυσική, την κοσμολογία, τη σκοτεινή ύλη και την εξέλιξη των γαλαξιών.
