Løst:mysteriet om, hvordan mørkt stof i galakser er fordelt

Tyngdekraften i universet, hvorunder den har udviklet sig fra en tilstand næsten ensartet ved Big Bang indtil nu, når stof er koncentreret i galakser, stjerner og planeter, er leveret af det, der kaldes 'mørkt stof.' Men på trods af den væsentlige rolle, som dette ekstra materiale spiller, vi ved næsten intet om dens natur, adfærd og sammensætning, som er et af de grundlæggende problemer i moderne fysik. I en nylig artikel i Astronomi og astrofysik bogstaver , videnskabsmænd ved Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC)/University of La Laguna (ULL) og ved National University of the North-West of the Province of Buenos Aires (Junín, Argentina) har vist, at det mørke stof i galakser følger en 'maksimal entropi'-fordeling, som kaster lys over dens natur.

Mørkt stof udgør 85% af universets stof, men dens eksistens viser sig kun på astronomiske skalaer. Det vil sige, på grund af dets svage samspil, nettoeffekten kan kun bemærkes, når den er til stede i store mængder. Da det kun afkøles med besvær, de strukturer, den danner, er generelt meget større end planeter og stjerner. Da tilstedeværelsen af ​​mørkt stof kun viser sig i stor skala, må opdagelsen af ​​dets natur sandsynligvis ske ved astrofysiske undersøgelser.

Maksimal entropi

At sige, at fordelingen af ​​mørkt stof er organiseret efter maksimal entropi (som svarer til 'maksimal uorden' eller 'termodynamisk ligevægt') betyder, at det findes i sin mest sandsynlige tilstand. For at nå denne 'maksimale uorden' må det mørke stof have været nødt til at kollidere i sig selv, ligesom gasmolekyler gør, for at nå ligevægt, hvor dens tæthed, tryk, og temperatur hænger sammen. Imidlertid, vi ved ikke, hvordan det mørke stof har nået denne type ligevægt.

"I modsætning til molekylerne i luften, for eksempel, fordi tyngdekraften er svag, mørkt stof partikler burde næppe kollidere med hinanden, så mekanismen, hvorved de når ligevægt, er et mysterium, " siger Jorge Sánchez Almeida, en IAC-forsker, som er artiklens første forfatter. "Men hvis de kolliderede med hinanden, ville det give dem en meget speciel natur, som delvist ville løse mysteriet om deres oprindelse, " tilføjer han.

Den maksimale entropi af mørkt stof er blevet detekteret i dværggalakser, som har et højere forhold mellem mørkt stof og samlet stof end har mere massive galakser, så det er nemmere at se effekten i dem. Imidlertid, forskerne forventer, at det er generel adfærd i alle typer galakser.

Undersøgelsen antyder, at fordeling af stof i termodynamisk ligevægt har en meget lavere central tæthed, som astronomer har antaget til mange praktiske anvendelser, såsom i den korrekte fortolkning af gravitationslinser, eller når man designer eksperimenter til at opdage mørkt stof ved dets selvudslettelse.

Denne centrale tæthed er grundlæggende for den korrekte fortolkning af lysets krumning ved hjælp af gravitationslinser:hvis den er mindre tæt, er effekten af ​​linsen mindre. For at bruge en gravitationslinse til at måle massen af ​​en galakse har man brug for en model, hvis denne model ændres, målingen ændres.

Den centrale tæthed er også meget vigtig for de eksperimenter, der forsøger at opdage mørkt stof ved hjælp af dets selvudslettelse. To mørkt stof partikler kunne interagere og forsvinde i en proces, som er højst usandsynlig, men som ville være karakteristisk for deres natur. For at to partikler kan interagere, skal de kollidere. Sandsynligheden for denne kollision afhænger af tætheden af ​​det mørke stof; jo højere koncentration af mørkt stof, jo højere er sandsynligheden for, at partiklerne kolliderer.

"Af den grund, hvis tætheden ændrer sig, vil den forventede produktionshastighed for selvudslettelsene, og givet, at eksperimenterne er designet på forudsigelse af en given hastighed, hvis denne hastighed var meget lav, er det usandsynligt, at eksperimentet vil give et positivt resultat, " siger Sánchez Almeida.

Endelig, termodynamisk ligevægt for mørkt stof kunne også forklare galaksernes lysstyrkeprofil. Denne lysstyrke falder med afstanden fra centrum af en galakse på en bestemt måde, hvis fysiske oprindelse er ukendt, men som forskerne arbejder på at vise, at det er resultatet af en ligevægt med maksimal entropi.

Simulering versus observation

Tætheden af ​​mørkt stof i galaksernes centre har været et mysterium i årtier. Der er en stærk uoverensstemmelse mellem forudsigelserne af simuleringerne (en høj tæthed) og den, der observeres (en lav værdi). Astronomer har fremsat mange typer mekanismer til at løse denne store uenighed.

I denne artikel, forskerne har vist, ved at bruge grundlæggende fysiske principper, at observationerne kan gengives ud fra den antagelse, at det mørke stof er i ligevægt, dvs. at den har maksimal entropi. Konsekvenserne af dette resultat kan være meget vigtige, fordi de indikerer, at det mørke stof har udvekslet energi med sig selv og/eller med det resterende 'normale' (baryoniske) stof.

"Det faktum, at ligevægt er nået på så kort tid, sammenlignet med universets alder, kunne være resultatet af en type interaktion mellem mørkt stof og normalt stof ud over tyngdekraften, " foreslår Ignacio Trujillo, en IAC-forsker og en medforfatter til denne artikel. "Den nøjagtige karakter af denne mekanisme skal undersøges, men konsekvenserne kunne være fascinerende at forstå, hvad denne komponent er, der dominerer den samlede mængde stof i universet."