Ny teori om mørkt stof baseret på påvisning af usædvanlig røntgenstråling fra galakser

Mørkt stof er i stigende grad forvirrende. Jorden rundt, fysikere har i årtier forsøgt at bestemme arten af ​​disse stofpartikler, som ikke udsender lys og derfor er usynlige for det menneskelige øje. Deres eksistens blev postuleret i 1930'erne for at forklare visse astronomiske observationer. Som synligt stof, som den, der udgør stjernerne og jorden, udgør kun 5 procent af universet, det er blevet foreslået, at mørkt stof skal repræsentere 23 procent af det, der er derude. Men til dato og på trods af intensiv forskning, det har vist sig umuligt faktisk at identificere de involverede partikler. Forskere ved Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) har nu præsenteret en ny teori om mørkt stof, hvilket indebærer, at partikler af mørkt stof kan være meget forskellige fra det, der normalt antages. I særdeleshed, deres teori involverer partikler af mørkt stof, som er ekstremt lette - næsten hundrede gange lettere end elektroner, i skarp kontrast til mange konventionelle modeller, der involverer meget tunge partikler af mørkt stof i stedet.

Ifølge almindelig teori, mørkt stof skal eksistere, for ellers ville stjerner ikke fortsætte med at rotere rundt i midten af ​​deres galakser, som de faktisk gør. Blandt de særligt begunstigede kandidater til mørkt stof er såkaldte svagt interagerende massive partikler, eller WIMP'er. Forskere leder efter disse i det italienske Gran Sasso underjordiske laboratorium, for eksempel. Men de seneste videnskabelige publikationer inden for astropartikelfysik er i stigende grad af den opfattelse, at WIMP'er sandsynligvis ikke vil være levedygtige udsigter, når det kommer til mørkt stof. "Vi, også, er i øjeblikket aktivt på jagt efter mulige alternativer, "sagde professor Joachim Kopp fra Mainz University.

Fysikeren, sammen med sine kolleger Vedran Brdar, Jia Liu, og Xiao-Ping Want, kiggede nærmere på resultaterne af observationer foretaget af flere uafhængige grupper i 2014. Grupperne rapporterede om tilstedeværelsen af ​​en tidligere uopdaget spektrallinje, med en energi på 3,5 kiloelektron volt (keV), i røntgenlys fra fjerne galakser og galaksehobe. Denne usædvanlige røntgenstråling kan give et fingerpeg om arten af ​​mørkt stof. Det er tidligere blevet påpeget, at partikler af mørkt stof kan henfalde, derved udsender røntgenstråler. Imidlertid, Joachim Kopps team i Mainz-baserede Cluster of Excellence on Precision Physics, Fundamental Interactions and Structure of Matter (PRISMA) har en anden tilgang.

Røntgenstråling produceret ved tilintetgørelse af mørkt stof

PRISMA -forskerne foreslår et scenario, hvor to partikler af mørkt stof støder sammen, resulterer i deres gensidige tilintetgørelse. Dette er analogt med, hvad der sker, for eksempel, når en elektron møder sin antipartikel, en positron. "Det har længe været antaget, at det ikke ville være muligt at observere en sådan udslettelse af mørkt stof, hvis det var lavet af partikler, der lyser, "forklarede Kopp." Vi har gennemgået vores nye model og har sammenlignet den med eksperimentelle data, og det hele passer meget bedre sammen end i tilfælde af ældre modeller. "

Efter Kopps model, mørke stofpartikler ville være fermioner med en masse på kun få kiloelektronvolt, kaldes ofte sterile neutrinoer. Sådan let mørkt stof betragtes normalt som problematisk, fordi det gør det svært at forklare, hvordan galakser kunne have været dannet. "Indtil nu, vi har været i stand til at håndtere disse bekymringer, "forklarede Kopp." Vores model giver en elegant vej ud. "Antagelsen om, at tilintetgørelse af mørkt stof er en totrinsproces, er af afgørende betydning i denne sammenhæng:i den indledende fase af processen, der dannes en mellemliggende tilstand, som senere går i opløsning i de observerede røntgenfotoner. "Resultaterne af vores beregninger viser, at den resulterende røntgensignatur er tæt forbundet med observationerne og dermed giver en ny forklaring på disse, "tilføjede Kopp.

På samme tid, den nye model i sig selv er så generel, at den vil tilbyde et interessant udgangspunkt for søgningen efter mørkt stof, selvom det viser sig, at den spektrale linje, der blev opdaget i 2014, har en anden oprindelse. Teoretiske og eksperimentelle fysikere på JGU arbejder i øjeblikket på den foreslåede ESA-mission e-ASTROGRAM, som sigter mod at analysere astrofysisk røntgenstråling med tidligere uopnået nøjagtighed.