Er mørkt stof uklart?

Astronomer har brugt data fra NASAs Chandra røntgenobservatorium til at studere egenskaber ved mørkt stof, det mystiske, usynligt stof, der udgør et flertal af materie i universet. Studiet, som involverer 13 galaksehobe, undersøger muligheden for, at mørkt stof kan være mere "uklar" end "koldt, "måske endda øge kompleksiteten omkring denne kosmiske gåde.

I flere årtier har astronomer har kendt til mørkt stof. Selvom det ikke kan observeres direkte, mørkt stof interagerer via tyngdekraften med det normale, udstrålende stof (dvs. alt, der består af protoner, neutroner, og elektroner bundtet i atomer). Udnytter denne interaktion, astronomer har undersøgt virkningerne af mørkt stof ved hjælp af en række forskellige teknikker, herunder observationer af stjernernes bevægelse i galakser, galaksernes bevægelse i galaksehobe, og fordelingen af ​​røntgenstråler, der udsender varm gas i galaksehobe. Mørkt stof har også sat aftryk på den stråling, der blev tilovers fra Big Bang for 13,8 milliarder år siden.

Imidlertid, astronomer har kæmpet i årtier for at forstå de detaljerede egenskaber ved mørkt stof. Med andre ord, de vil gerne vide, hvordan mørkt stof opfører sig i alle miljøer, og, ultimativt, hvad den er lavet af.

Den mest populære model antager, at mørkt stof er en partikel, der er mere massiv end en proton, der er "kold", hvilket betyder, at den bevæger sig med hastigheder, der er meget mindre end lysets hastighed. Denne model har haft succes med at forklare universets struktur på meget store skalaer, meget større end galakser, men det har problemer med at forklare, hvordan stof fordeles på de mindre skalaer i galakser.

For eksempel, modellen med koldt mørkt stof forudsiger, at densiteten af ​​mørkt stof i midten af ​​galakser er meget højere end i de omkringliggende områder tæt på centrum. Fordi normalt stof er tiltrukket af det mørke stof, den bør også have en stærk top i tæthed i midten af ​​galakser. Imidlertid, astronomer observerer, at densiteten af ​​både mørkt og normalt stof i midten af ​​galakser er meget mere jævnt spredt. Et andet problem med modellen med koldt mørkt stof er, at den forudsiger et meget større antal små galakser, der kredser rundt om galakser som Mælkevejen, end astronomer rent faktisk ser.

For at løse disse problemer med modellen med koldt mørkt stof, astronomer er kommet på alternative modeller, hvor mørkt stof har meget forskellige egenskaber. En sådan model udnytter princippet i kvantemekanik om, at hver subatomære partikel har en bølge forbundet med den. Hvis partiklen af ​​mørkt stof har en ekstremt lille masse, omkring ti tusinde billioner gange mindre end en elektronmasse, dens tilsvarende bølgelængde vil være omkring 3, 000 lysår. Denne afstand fra en bølgetopp til en anden er cirka en ottendedel af afstanden mellem Jorden og Mælkevejens centrum. Derimod, lysets længste bølgelængde, en radiobølge, er kun få kilometer lang.

Bølger fra forskellige partikler på disse store skalaer kan overlappe og forstyrre hinanden som bølger på en dam, fungerer som et kvantesystem på galaktiske snarere end atomskalaer.

Den store bølgelængde af partiklernes bølge betyder, at densiteten af ​​mørkt stof i midten af ​​galakser ikke kan nås stærkt. Derfor vil disse partikler for en observatør uden for en galakse virke uklar, hvis de kunne detekteres direkte, så denne model er blevet kaldt "fuzzy dark matter". Fordi det normale stof tiltrækkes af det mørke stof, vil det også blive spredt ud over store skalaer. Dette ville naturligvis forklare manglen på en stærk top i stofets tæthed i midten af ​​galakser.

Denne enkle model har haft succes med at forklare mængden og placeringen af ​​mørkt stof i små galakser. For større galakser, en mere kompliceret model af fuzzy dark matter har været nødvendig. I denne model, massive koncentrationer af mørkt stof kan føre til flere kvantetilstande (kaldet "ophidsede tilstande"), hvor partiklerne i det mørke stof kan have forskellige energimængder, ligner et atom med elektroner i baner med højere energi. Disse ophidsede tilstande ændrer, hvordan densiteten af ​​mørkt stof varierer med afstanden væk fra midten af ​​galaksehoben.

I en ny undersøgelse, et team af forskere brugte Chandra -observationer af den varme gas i 13 galaksehobe for at se, om den uklare model af mørkt stof fungerer på større skalaer end galakser. De brugte Chandra -dataene til at estimere både mængden af ​​mørkt stof i hver klynge og hvordan densiteten varierer med afstanden væk fra midten af ​​galaksehoben.

Grafikken viser fire af de 13 galakser, der er brugt i undersøgelsen. Klyngerne er, starter øverst til venstre og går med uret, Abell 262, Abell 383, Abell 1413, og Abell 2390. I hvert af disse billeder, Røntgendata fra Chandra er lyserøde, mens optiske data er røde, grøn, og blå.

Som med undersøgelser af galakser, den enkleste model af fuzzy dark matter - hvor alle partikler har den lavest mulige energi - var ikke enig med dataene. Imidlertid, de fandt ud af, at modellen, hvor partiklerne havde forskellige energimængder - de "ophidsede tilstande - gav en god overensstemmelse med dataene. Faktisk, den uklare model med mørkt stof matcher måske lige så godt eller endda bedre observationer af disse 13 galaksehobe, end en model baseret på koldt mørkt stof.

Dette resultat viser, at den uklare mørke stofmodel kan være et levedygtigt alternativ til koldt mørkt stof, men yderligere arbejde er nødvendigt for at teste denne mulighed. En vigtig effekt af de ophidsede tilstande er at give krusninger, eller svingninger, i tætheden af ​​mørkt stof som en funktion af afstanden væk fra midten af ​​klyngen. Dette ville producere krusninger i tætheden af ​​normalt stof. Den forventede størrelse af disse krusninger er mindre end den nuværende usikkerhed i dataene. En mere detaljeret undersøgelse er nødvendig for at teste denne forudsigelse af modellen.

Et papir, der beskriver disse resultater, blev for nylig accepteret til offentliggørelse i Månedlige meddelelser fra Royal Astronomical Society og er tilgængelig online. Forfatterne er Tula Bernal (National Polytechnic Institute, Mexico City), Victor Robles (University of California, Irvine), og Tonatiuh Matos (National Polytechnic Institute).