Nye modeller af Big Bang viser, at synligt univers og usynlig mørkt stof udviklede sig sammen

Fysikere har længe teoretiseret, at vores univers måske ikke er begrænset til det, vi kan se. Ved at observere gravitationskræfter på andre galakser har de antaget eksistensen af ​​"mørk stof", som ville være usynlig for konventionelle former for observation.

Pran Nath, Matthews Distinguished University Professor i fysik ved Northeastern University, siger, at "95% af universet er mørkt, er usynligt for øjet."

"Vi ved dog, at det mørke univers er der ved [dets] tyngdekraft på stjerner," siger han. Bortset fra dets tyngdekraft har mørkt stof aldrig set ud til at have stor effekt på det synlige univers.

Alligevel er forholdet mellem disse synlige og usynlige domæner, især da universet først blev dannet, forblevet et åbent spørgsmål.

Nu siger Nath, at der er stigende beviser for, at disse to angiveligt adskilte riger faktisk udviklede sig sammen.

Gennem en række computermodeller har Nath og Ph.D. kandidat Jinzheng Li har opdaget, at den synlige og den skjulte sektor, som de kalder dem, sandsynligvis udviklede sig sammen i øjeblikke efter Big Bang, med dybtgående konsekvenser for, hvordan universet udviklede sig derefter.

Nath siger, at der var en tid, hvor nogle fysikere effektivt afskrev denne skjulte sektor, da vi kan forklare det meste af, hvad der sker inden for det synlige - det vil sige, hvis vores modeller nøjagtigt kan skildre, hvad vi kan se, der sker omkring os, hvorfor så bekymre os om at prøve at måle noget, der ikke har nogen mærkbar effekt?

"Spørgsmålet er, hvilken indflydelse den skjulte sektor har på den synlige sektor?" spørger Nath. "Men hvad bekymrer vi os? Vi kan forklare alt."

Men vi kan ikke forklare alt, hævder Nath. Der er anomalier, som ikke synes at passe til den såkaldte "Standard Model" af universet.

At den synlige og den skjulte sektor er gensidigt isoleret er en misforståelse, siger Nath, baseret på en antagelse, "at den synlige og den skjulte sektor udviklede sig uafhængigt af hinanden." Nath vil vende den antagelse på hovedet.

I et papir offentliggjort i Physical Review D , "Big Bang Initial Conditions and Self-Interacting Hidden Dark Matter," skrevet sammen med Li, ønsker Nath at spørge, hvad han kalder "det vigtigere spørgsmål:Hvordan ved vi, at de udviklede sig uafhængigt?"

For at teste denne antagelse, "introducerede Nath og hans team nogle svage interaktioner" mellem de to sektorer i deres modeller af Big Bang. Disse sparsomme interaktioner ville ikke være nok til at påvirke resultatet af f.eks. partikelacceleratoreksperimenter, "men vi ønskede at se, hvad virkningerne ville være på den synlige sektor som helhed," siger Nath, "fra tiden med den store Bang til det aktuelle tidspunkt."

Selv med minimal interaktion mellem de to sektorer, opdagede Nath og hans team, at mørkt stofs indflydelse på det synlige stof, vi er lavet af, kunne have en stor indflydelse på observerbare fænomener.

Hubble-ekspansionen – som i de enkleste vendinger siger, at galakser bevæger sig væk fra hinanden, og dermed at universet udvider sig – indeholder for eksempel en "ganske alvorlig" forskel mellem hvad standardmodellen forudsiger og hvad der er blevet observeret . Naths modeller står delvist for denne forskel.

En stor variabel er temperaturen i den skjulte sektor under Big Bang.

Den synlige sektor, vi kan være ret sikre på, startede meget varmt i øjeblikket med Big Bang. Mens universet afkøles, siger Nath, "det vi ser, er resterne af den periode af universet."

Men ved at studere udviklingen af ​​de to sektorer, kunne Nath og hans team modellere begge forhold – en skjult sektor, der startede varmt, og en anden skjult sektor, der startede kold.

Det, de observerede, var overraskende:På trods af betydelige forskelle mellem modellerne, med store konsekvenser for, hvordan universet så ud i tidlige tider, var både de varme og kolde modeller i overensstemmelse med den synlige sektor, vi kan observere i dag.

Vores aktuelle målinger af det synlige univers er med andre ord utilstrækkelige til at bekræfte, hvilken side den skjulte sektor faldt på i begyndelsen – varm eller kold.

Nath er hurtig til at påpege, at dette snarere end en fejl i eksperimentet er et eksempel på de matematiske modeller, der overgår vores nuværende eksperimentelle muligheder.

Det er ikke, at forskellen mellem en varm eller kold skjult sektor ikke har nogen betydning for det synlige univers, men at vi ikke har udført eksperimenter – endnu – med høj nok præcision. Nath nævner Webb-teleskopet som et eksempel på den næste generation af værktøjer, der vil være i stand til at foretage så præcise observationer.

Det ultimative mål med alt dette modelleringsarbejde er at lave bedre forudsigelser om universets tilstand, hvordan det hele fungerer, og hvad vi finder, når vi ser dybere og dybere ind i nattehimlen.

Efterhånden som vores eksperimenter opnår mere nøjagtighed, vil spørgsmålene bagt i Naths modeller – var den skjulte sektor varm eller kold? – finde deres svar, og disse afklarede modeller vil hjælpe med at forudsige løsningerne på stadigt dybere spørgsmål.

"Hvad er betydningen af ​​dette?" spørger Nath. Mennesker, siger han, "ønsker at finde deres plads i universet." Og mere end det, "vil de besvare spørgsmålet, hvorfor er der et univers?

"Og vi udforsker disse spørgsmål. Det er den ultimative søgen for mennesker."

Flere oplysninger: Jinzheng Li et al., Big bang-startbetingelser og selv-interagerende skjult mørkt stof, Physical Review D (2023). DOI:10.1103/PhysRevD.108.115008

Journaloplysninger: Fysisk gennemgang D

Leveret af Northeastern University

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra Northeastern Global News news.northeastern.edu.