Materia întunecată ar putea păstra un secret și mai întunecat

Nu, nu acele forțe întunecate…

Cercetătorii compară un comportament teoretic al materiei întunecate cu galaxiile reale.

Este imposibil ca un telescop să imagineze și încă departe de a fi înțeles complet materie întunecată este pretutindeni.

Cele mai profunde mistere despre materia întunecată se referă la natura și comportamentul ei. Ideea predominantă cu privire la materia întunecată este teoria materiei întunecate la rece (CDM), care presupune că materia întunecată este alcătuită din particule de viteză mică care nu interacționează între ele. Această gândire a fost dezbătută – și este din nou dezbătută. Condusă de astrofizicianul Hai-Bo Yu, o echipă de cercetători de la Universitatea din California, Riverside a conceput o idee alternativă care explică două extreme în care materia întunecată rece nu funcționează bine.

Se crede că galaxiile și clusterele de galaxii sunt înconjurate de halouri de materie întunecată. La un capăt al controversei se află halourile de materie întunecată galactică care sunt prea dense pentru a fi în concordanță cu CDM, iar la celălalt se află halourile de materie întunecată galactică prea difuze pentru ca CDM să le poată înțelege. Yu și colegii săi sugerează, în schimb, că o forță întunecată (îmi pare rău, fanii Star Wars, nu cel Forța) face ca particulele de materie întunecată să se ciocnească unele de altele. Aceasta este materia întunecată cu auto-interacțiune (SIDM).

Ideea unor particule invizibile care interacționează, fie împingându-se unele pe altele mai departe și în afară într-un halou difuz, fie trăgându-se mai aproape una de cealaltă și înăuntru într-unul dens, poate fi ceea ce căutam în întuneric. Dar mai întâi, de ce se crede că materia întunecată este rece?

Pierdut în întuneric

Materia întunecată este „întunecată” deoarece interacțiunile sale cu materia vizibilă și radiația electromagnetică sunt fie slabe, fie inexistente. Nicio lumină nu o poate ilumina din cauza incapacității sale de a avea interacțiuni semnificative cu orice tip de radiație electromagnetică. Motivul pentru care se spune că materia întunecată este „rece”, cel puțin conform teoriei materiei întunecate la rece, este că se crede că particulele lente se mișcă mult mai încet decât viteza luminii.

CDM este încă modelul standard pentru materia întunecată, deoarece funcționează pentru construirea și întreținerea structurilor cosmice, cum ar fi galaxiile. Dacă materia întunecată este rece, atunci ea se poate aglomera și agrega mai ușor decât dacă ar fi zoom prin vidul spațiului – ceea ce ar fi dacă toată materia întunecată ar fi „fierbinte” sau ar fi făcută din particule mai ușoare care călătoresc la viteze mari. Particulele fierbinți de materie întunecată ar fi prea rapide pentru a forma structuri pe perioade lungi și ar aplatiza orice structuri existente în care a intrat. Materia întunecată caldă se încadrează undeva între rece și fierbinte.

Câte tipuri de materie întunecată există nu se știe. Unii oameni de știință insistă că toată materia întunecată este rece, în timp ce alții susțin că există mai multe tipuri.

Deși CDM nu spune că această materie invizibilă este total nemișcată, nu permite ca multe particule de materie întunecată să se ciocnească. Aici intervine SIDM.

Aruncă mai multă lumină

În timp ce materia întunecată fierbinte și caldă depășeau domeniul de aplicare al studiului lor, Yu și echipa sa au testat dacă SIDM ar putea explica un aspect al materiei întunecate reci care nu funcționează cu adevărat: se luptă să explice halourile de materie întunecată extrem de densă și extrem de difuză.

„În [diffuse scenario], interacțiunile transportă căldura din regiunile exterioare către cele interioare de halo, scăzând densitatea centrală; în [dense scenario]direcția fluxului de căldură se inversează și haloul interior devine mai dens decât omologul său CDM”, au spus ei într-un studiu publicat recent în The Astrophysical Journal Letters.

Galaxii ultradifuze (UDG) sunt galaxii pitice care sunt deosebit de slabe, deoarece stelele lor sunt împrăștiate departe unele de altele. Gazul care formează stele este răspândit prea subțire pentru a produce multe stele noi. Haloul de materie întunecată a unei galaxii ultradifuze ajunge mult mai departe decât cel al unei galaxii pitice obișnuite, ceea ce nu ar trebui să se întâmple cu particulele fără coliziune propuse de CDM – particulele care nu interacționează ar fi mai apropiate și ar produce un halou mai dens, cu o rază de acțiune mai scurtă. SIDM permite particulelor să se ciocnească și să transfere căldură, iar expansiunea materiei întunecate care rezultă poate explica de ce aceste halouri sunt atât de difuze.

Al doilea scenariu tratează halourile de materie întunecată atât de dense încât au impact asupra lentilelor gravitaționale. Aceste halouri dense au suficientă materie întunecată pentru a curba spațiu-timp, astfel încât lumina care călătorește prin acea regiune a spațiului se îndoaie și ea. Din cauza acestor perturbări, un obiect din spatele galaxiei lentile este mărit, deși adesea într-un mod oarecum deformat. SIDM acceptă, de asemenea, concentrații suficiente de materie întunecată pentru a afecta lentilele gravitaționale, deoarece particulele care se ciocnesc ar trebui să poată merge spre interior așa cum ies spre exterior. Particulele care se lovesc unele de altele cresc mai mult densitatea aureolei, iar o hoardă de ele poate forma o pată masivă de materie întunecată care produce lentile gravitaționale.

Suntem încă în întuneric despre materia întunecată în multe feluri. Până când există o modalitate de a o detecta direct, trebuie să ne bazăm pe munca teoretică pentru a ne da seama dacă idei precum SIDM ar putea fi în ceva. Poate într-o zi, vom avea o metodă de detectare directă care va aduce în sfârșit la lumină misterele materiei întunecate.

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