Gdy ciemna materia staje się rozmyta
Jaki model ciemnej materii najlepiej opisuje nasz Wszechświat? Nowe badanie wykorzystuje unikalny region w naszej galaktyce, aby ograniczyć jeden konkretny model: rozmytą ciemną materię.
Kwestia modelowania
Obserwacje naszego Wszechświata mówią nam, że tylko 15% materii w nim zawartej jest zwykłą materią barionową, którą jesteśmy w stanie obserwować. Pozostałe 85% to ciemna materia – tajemnicza materia, która ukształtowała strukturę i ewolucję naszego Wszechświata poprzez oddziaływanie grawitacyjne, ale nie emituje żadnego światła.
Ponieważ nie możemy jej bezpośrednio zaobserwować, ciemna materia jest nadal stosunkowo nieznana – i istnieje wiele różnych hipotetycznych modeli, które opisują jej naturę. Czy ciemna materia jest gorąca? Zimna? Składa się z cząstek subatomowych? Albo obiektów makroskopowych, takich jak pierwotne czarne dziury? Istnieje model dla wszystkich tych opcji, a najlepszym sposobem ich przetestowania jest porównanie ich przewidywań z rzeczywistą strukturą, którą obserwujemy.
Ograniczenia dziwnej struktury
Jedną z takich struktur ograniczających jest wyjątkowy region w naszej własnej galaktyce: Centralna Strefa Molekularna (Central Molecular Zone – CMZ). Ten niezwykle gęsty, bogaty zbiór orbitującego gazu molekularnego znajduje się w samym centrum Drogi Mlecznej i ma średnicę zaledwie kilkuset lat świetlnych. Obserwacje sugerują, że obłoki gazu molekularnego krążą w pierścieniu lub dysku o skręconym trójwymiarowym kształcie, ale gruby pył, który spowija centrum galaktyki, ogranicza to, czego możemy się bezpośrednio dowiedzieć o CMZ.
Jednak kształt CMZ nie jest jedyną tajemnicą: nie do końca rozumiemy, co spowodowało rozwój tej dziwnej struktury. Wcześniejsze badania nad narodzinami struktury naszej galaktyki z cienkiego dysku sugerują, że formowanie się CMZ zależy od kombinacji potencjału grawitacyjnego Drogi Mlecznej z poprzeczką i szczególnie gęstego obszaru jądrowego.
W nowym badaniu zespół naukowców wykorzystał ten obraz do ograniczenia modelu ciemnej materii, który opiera się na lekkich cząsteczkach ciemnej materii skoncentrowanych w jądrze Galaktyki.
Dodanie rozmycia do Drogi Mlecznej
Zhi Li (Shanghai Jiao Tong University, Chiny) i jego współpracownicy przeprowadzają serie kosmologicznych symulacji, które modelują powstawanie Drogi Mlecznej z cienkiego dysku w realistycznym potencjale grawitacyjnym. W niektórych z tych symulacji autorzy uwzględniają tylko gęste zgrubienie jądrowe w centrum galaktyki. W innych dodają także jądro galaktyki zgodne z przewidywaniami rozmytej ciemnej materii, model opisujący ciemną materię Wszechświata jako bardzo lekkie bozony, które w niektórych skalach wykazują zachowanie fal.
Autorzy pokazują, że strukturę i dynamikę CMZ można dobrze odtworzyć tylko z wyjątkowo zwartym zgrubieniem centralnym. Ale połączenie mniejszego zgrubienia centralnego i jądra z rozmytej ciemnej materii również starannie odtwarza obserwacje, pozostawiając otwarte drzwi dla tego modelu ciemnej materii.
Czy więc nasza ciemna materia jest rozmyta, czy nie? Nie możemy tego jeszcze jednoznacznie powiedzieć, ale Li i współpracownicy rezerwują niektóre przyszłe obserwacje – takie jak określenie stosunku masy do światła w centrum galaktyki – które pomogą nam odpowiedzieć na to pytanie i lepiej zrozumieć, co się dzieje z tymi niewidzialnymi 85% materii naszego Wszechświata.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
