В проучване, публикувано днес в Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, изследователи от Университета на Торонто разкриват теоретичен пробив, който може да обясни както природата на невидимата тъмна материя, така и мащабната структура на Вселената, известна като космическата мрежа. Резултатът установява нова връзка между тези два дългогодишни проблема в астрономията, отваряйки нови възможности за разбиране на космоса.
Изследването предполага, че "проблемът със сгъстеността" - неочаквано равномерното разпределение на материята в големи мащаби в целия космос, може да е знак, че тъмната материя е съставена от хипотетични ултра леки частици, наречени аксиони. Последствията от доказването на съществуването на трудните за откриване аксиони се простират отвъд разбирането на тъмната материя и биха могли да отговорят на фундаментални въпроси за природата на самата Вселена.
„Ако бъде потвърдено с бъдещи наблюдения с телескоп и лабораторни експерименти, намирането на аксионна тъмна материя ще бъде едно от най-значимите открития на този век“, казва водещият автор Кийр Роджърс, сътрудник на Дънлап в Института за астрономия и астрофизика Дънлап във Факултета по изкуства и Наука в университета в Торонто.
„В същото време нашите резултати предполагат обяснение защо Вселената е по-малко на бучки, отколкото си мислехме, наблюдение, което става все по-ясно през последното десетилетие, и в момента оставя нашата теория за Вселената несигурна.“
Тъмната материя, съставляваща 85 процента от масата на Вселената, е невидима, защото не взаимодейства със светлината. Учените изучават нейните гравитационни ефекти върху видимата материя, за да разберат как е разпределена във Вселената.
Водеща теория предполага, че тъмната материя е изградена от аксиони, описани в квантовата механика като "неясни" поради тяхното вълнообразно поведение. За разлика от дискретните точковидни частици, аксионите могат да имат дължини на вълните, по-големи от цели галактики. Тази неяснота влияе върху образуването и разпределението на тъмната материя, като потенциално обяснява защо Вселената е по-малко на бучки, отколкото се предвижда във вселена без аксиони.
Тази липса на бучки е наблюдавана при проучвания на големи галактики, оспорвайки другата преобладаваща теория, че тъмната материя се състои само от тежки, слабо взаимодействащи си субатомни частици, наречени WIMP. Въпреки експерименти като Големия адронен колайдер, не са намерени доказателства в подкрепа на съществуването на WIMP.
„В науката, когато идеите се оопровергават, се правят нови открития и се решават стари проблеми“, казва Роджърс.
За целите на изследването изследователският екип, ръководен от Роджърс и включващ членове на изследователската група на доцент Рене Хложек в института Дънлап, както и от Университета на Пенсилвания, Института за напреднали изследвания, Колумбийския университет и Кралския колеж в Лондон, анализира наблюденията на реликтова светлина от Големия взрив, известна като космически микровълнов фон (CMB), получена от проучванията на Planck 2018, космологичния телескоп Atacama и телескопа на Южния полюс.
Изследователите сравняват тези данни за космическия микровълнов фон с данните за клъстерирането на галактики от Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS) - изследване, което картографира позициите на приблизително един милион галактики в близката вселена. Чрез изучаване на разпределението на галактиките, което отразява поведението на тъмната материя под действието на гравитационните сили, те измерват колебанията в количеството материя във Вселената и потвърждават нейната намалена гъстота в сравнение с прогнозите.
След това изследователите провели компютърни симулации, за да предскажат появата на реликтова светлина и разпределението на галактиките във Вселената с дълги вълни от тъмна материя. Тези изчисления са приведени в съответствие със CMB данни от Големия взрив и данни за клъстериране на галактики, подкрепяйки идеята, че аксионите могат да обяснят проблема с неравномерността.
Бъдещите изследвания ще включват широкомащабни проучвания за картографиране на милиони галактики и осигуряване на точни измервания на неравностите, включително наблюдения през следващото десетилетие с обсерваторията Рубин.
Изследователите се надяват да сравнят теорията си с директни наблюдения на тъмната материя чрез гравитационни лещи, ефект, при който бучките на тъмната материя се измерват по това колко огъват светлината от далечни галактики, подобно на гигантска лупа. Те също планират да проучат как галактиките изхвърлят газ в космоса и как това се отразява разпространението на тъмната материя, за да потвърдят допълнително своите резултати.
Разбирането на природата на тъмната материя е един от най-належащите фундаментални въпроси и ключ към разбирането на произхода и бъдещето на Вселената.
Понастоящем учените нямат нито една теория, която да обяснява едновременно гравитацията и квантовата механика - теория на всичко. Най-популярната теория за всичко през последните няколко десетилетия е теорията на струните, която поставя друго ниво под квантовото ниво, където всичко е направено от подобни на струни възбуждания на енергия. Според Роджърс откриването на аксионна частица може да е намек, че струнната теория на всичко е правилна.
„Сега разполагаме с инструментите, които биха могли да ни позволят най-накрая да разберем експериментално нещо за вековната мистерия на тъмната материя, още през следващото десетилетие или някъде там, и това може да ни даде намеци за отговори на още по-големи теоретични въпроси“, казва Роджърс . „Надеждата е, че озадачаващите елементи на Вселената са разрешими.“
Ultra-light axions and the S8 tension: joint constraints from the cosmic microwave background and galaxy clustering, Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (2023). DOI: 10.1088/1475-7516. iopscience.iop.org/article/10.1088/1475-7516/2023/06/023
__________
Тъмна материя е понятие от астрофизиката и космологията, означаващо материя, която е недостъпна за наблюдение със съвременните методи (нито излъчва, нито отразява достатъчно електромагнитни вълни) и е с неизвестен състав, но може да бъде индиректно засечена заради гравитационните си въздействия върху видимата материя. Иначе казано, се приема, че във Вселената има нещо, което не се вижда с обикновени и радиотелескопи или както и да било, но е с много голяма маса, която личи само по неговата гравитация.
Понятието възниква исторически заради т. нар. "проблем за липсващата маса" - оказва се, че във Вселената най-вероятно има невидима материя с много голяма маса - така най-просто се обясняват огромните разлики между теорията (отчитаща само видимата материя) и реалните експерименти.
Тъмната материя също играе централна роля в структурирането на Вселената и формирането на вещество при Големия взрив. Влияе измеримо върху анизотропията на реликтовото излъчване. Освен това, съществуването на тъмна материя решава редица проблеми в теорията на Големия взрив. Всички тези доказателства говорят, че галактиките, куповете от галактики, и цялата Вселена съдържат доста повече материя от непосредствено наблюдаваната днес - значи има и тъмна материя.
Тъмната материя съществува само под формата на големи струпвания по-големи от 1000 светлинни години в диаметър, което предполага средна скорост на частиците около 9 км/сек., плътност от 20 amu/cm3 и температура от 10 000 Келвина, според изчисленията на изследователи от института по астрономия към Кеймбриджкия университет, публикувани през 2006 г.
