Mørkt stof er sandsynligvis koldt, ikke uklar, videnskabsmænd rapporterer efter nye simuleringer

Mørkt stof er det passende navngivne usete materiale, der udgør hovedparten af ​​stof i vores univers. Men hvad mørkt stof er lavet af, er et spørgsmål om debat.

Forskere har aldrig direkte opdaget mørkt stof. Men gennem årtier, de har foreslået en række teorier om, hvilken type materiale – fra nye partikler til primordiale sorte huller – der kunne omfatte mørkt stof og forklare dets mange virkninger på normalt stof. I et papir offentliggjort 20. juli i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve , et internationalt hold af kosmologer bruger data fra det intergalaktiske medium – det enorme, stort set tomt rum mellem galakser - for at indsnævre, hvad mørkt stof kunne være.

Holdets resultater sår tvivl om en relativt ny teori kaldet "fuzzy dark matter, " og i stedet give tillid til en anden model kaldet "koldt mørkt stof." Deres resultater kunne informere igangværende bestræbelser på at opdage mørkt stof direkte, især hvis forskerne har en klar idé om, hvilke slags egenskaber de skal søge.

"I årtier, teoretiske fysikere har forsøgt at forstå egenskaberne af de partikler og kræfter, der skal udgøre mørkt stof, " sagde hovedforfatter Vid Iršič, en postdoc-forsker ved Institut for Astronomi ved University of Washington. "Det, vi har gjort, er at sætte begrænsninger på, hvad mørkt stof kunne være - og 'fuzzy mørkt stof, hvis det skulle udgøre alt mørkt stof, er ikke i overensstemmelse med vores data."

Forskere havde udarbejdet teorierne om både "fuzzy" og "kolde" mørkt stof for at forklare de virkninger, som mørkt stof ser ud til at have på galakser og det intergalaktiske medium mellem dem.

Koldt mørkt stof er den ældste af disse to teorier, går tilbage til 1980'erne, og er i øjeblikket standardmodellen for mørkt stof. Den hævder, at mørkt stof består af en relativt massiv, langsomt bevægende type partikel med "svagt interagerende" egenskaber. Det hjælper med at forklare det unikke, universets struktur i stor skala, såsom hvorfor galakser har tendens til at samle sig i større grupper.

Men teorien om koldt mørkt stof har også nogle ulemper og uoverensstemmelser. For eksempel, den forudsiger, at vores egen Mælkevejsgalakse skulle have hundredvis af satellitgalakser i nærheden. I stedet, vi har kun et par dusin små, nære naboer.

Den nyere teori om fuzzy mørkt stof adresserede manglerne ved modellen med koldt mørkt stof. Ifølge denne teori, mørkt stof består af en ultralet partikel, snarere end en tung, og har også en unik funktion relateret til kvantemekanik. For mange af de fundamentale partikler i vores univers, deres store bevægelser - rejseafstande på meter, miles og videre – kan forklares ved hjælp af principperne for "klassisk" newtonsk fysik. Forklaring af små bevægelser, såsom på subatomært niveau, kræver kvantemekanikkens komplekse og ofte modstridende principper. Men for den ultralette partikel forudsagt i teorien om fuzzy dark matter, bevægelser i utroligt store skalaer – såsom fra den ene ende af en galakse til den anden – kræver også kvantemekanik.

Med disse to teorier om mørkt stof i tankerne, Iršič og hans kolleger satte sig for at modellere de hypotetiske egenskaber af mørkt stof baseret på relativt nye observationer af det intergalaktiske medium, eller IGM. IGM består hovedsageligt af mørkt stof – hvad end det måtte være – sammen med brintgas og en lille mængde helium. Brinten i IGM absorberer lys, der udsendes fra fjerne, lyse genstande, og astronomer har studeret denne absorption i årtier ved hjælp af jordbaserede instrumenter.

Holdet så på, hvordan IGM interagerede med lys udsendt af kvasarer, som er fjerne, massiv, stjernelignende objekter. Et sæt data kom fra en undersøgelse af 100 kvasarer foretaget af European Southern Observatory i Chile. Holdet inkluderede også observationer af 25 kvasarer fra Las Campanas-observatoriet i Chile og W.M. Keck Observatory på Hawaii.

Ved at bruge en supercomputer på University of Cambridge, Iršič og medforfattere simulerede IGM - og beregnede, hvilken type mørkt stofpartikel der ville være i overensstemmelse med kvasardataene. De opdagede, at en typisk partikel forudsagt af teorien om fuzzy dark matter simpelthen er for let til at tage højde for brintabsorptionsmønstrene i IGM. En tungere partikel - svarende til forudsigelser fra den traditionelle teori om koldt mørkt stof - er mere i overensstemmelse med deres simuleringer.

"Massen af ​​denne partikel skal være større end hvad folk oprindeligt havde forventet, baseret på fuzzy mørkt stof løsninger på problemer omkring vores galakse og andre, " sagde Iršič.

En ultralet "fuzzy" partikel kunne stadig eksistere. Men det kan ikke forklare, hvorfor galaktiske hobe dannes, eller andre spørgsmål som mangel på satellitgalakser omkring Mælkevejen, sagde Iršič. En tungere "kold" partikel forbliver i overensstemmelse med de astronomiske observationer og simuleringer af IGM, han tilføjede.

Holdets resultater adresserer ikke alle de langvarige ulemper ved modellen med koldt mørkt stof. Men Iršič mener, at yderligere mining af data fra IGM kan hjælpe med at løse den type - eller typer - af partikler, der udgør mørkt stof. Ud over, nogle videnskabsmænd mener, at der ikke er problemer med teorien om koldt mørkt stof. I stedet, videnskabsmænd forstår måske simpelthen ikke de komplekse kræfter, der virker i IGM, Iršič tilføjet.

"På den ene eller anden måde, IGM er fortsat et rigt grundlag for at forstå mørkt stof, " sagde Iršič.

Medforfattere på papiret er Matteo Viel fra International School for Advanced Studies i Italien, det astronomiske observatorium i Trieste og det nationale institut for kernefysik i Italien; Martin Haehnelt fra University of Cambridge; James Bolton fra University of Nottingham; og George Becker fra University of California, Riverside. Arbejdet blev finansieret af National Science Foundation, det nationale institut for kernefysik i Italien, det europæiske forskningsråd, det nationale institut for astrofysik i Italien, Royal Society i Storbritannien og Kavli Foundation.