materie întunecată

Oamenii de știință cred că Calea Lactee și întregul Grup Local de galaxii se află într-o vastă peliculă de materie întunecată, potrivit unui studiu publicat în Nature Astronomy. Noul model oferă o explicație pentru mișcarea stranie a galaxiilor din apropiere, care a sfidat mult timp înțelepciunea convențională.

Astronomii știu încă de la Edwin Hubble că universul se extinde și că aproape toate galaxiile se îndepărtează una de cealaltă. Cu toate acestea, Andromeda, cea mai apropiată galaxie mare, se îndreaptă spre Calea Lactee. Aceasta părea o anomalie, deoarece întregul Grup Local este legat gravitațional și ar trebui să se comporte într-un mod coordonat.

Dublu virtual al grupului local

Pentru a înțelege această discrepanță, cercetătorii au creat un geamăn virtual al Grupului Local și al galaxiilor înconjurătoare. Simularea a început cu condițiile Universului timpuriu, determinate de datele de fond cosmic de microunde. Oamenii de știință au urmărit apoi evoluția sistemului și au comparat mișcările galaxiilor virtuale cu observații reale.

Potrivirea s-a dovedit a fi remarcabil de precisă. Cu toate acestea, modelul a funcționat doar cu o singură condiție: ca Grupul Local să nu fie situat într-un halou sferic, ci în interiorul unei straturi plate de materie întunecată. Conform calculelor, această structură este estimată la milioane de ani-lumină în dimensiune.

De ce o frunză și nu o sferă?

Modelul cosmologic tradițional presupune că galaxiile sunt situate în halouri sferice masive de materie întunecată. În acest caz, mișcarea lor este influențată în primul rând de masa conținută în aceste sfere. Noul studiu propune o geometrie diferită, în care distribuția masei pe distanțe mari joacă, de asemenea, un rol semnificativ.

Într-o structură asemănătoare unei foi, marginile materiei întunecate trag ușor galaxiile spre exterior, în timp ce golurile cosmice există în afara planului. Această combinație de gravitație și goluri explică în mod clar dinamica observată a Grupului Local. Tocmai această configurație, potrivit autorilor, rezolvă contradicțiile anterioare.

Ce înseamnă deschidere?

Autorul principal al studiului, Ewaud Wempe, a numit lucrarea prima estimare a distribuției și vitezelor materiei întunecate în Grupul Local. El a remarcat că modelul este în concordanță atât cu teoria cosmologică generală, cât și cu observațiile locale. Potrivit lui, acesta este un caz rar în care ambele imagini coincid.

„Explorăm toate configurațiile locale posibile ale universului timpuriu”, a explicat Wempe. El a subliniat că modelul rezultat necesită o verificare independentă. În viitor, oamenii de știință intenționează să utilizeze datele telescopului spațial pentru a căuta straturi similare de materie întunecată dincolo de Grupul Local.

Cosmologia modernă s-a confruntat cu o defecțiune sistemică. Conform unui studiu publicat în revista Nature Astronomy, calculele evoluției Universului nu mai corespund observațiilor reale. Oamenii de știință recunosc că, atunci când extrapolează date din cosmosul timpuriu, cu miliarde de ani în viitor, teoria dă un rezultat diferit față de telescoape.

Fizicienii au o hartă extrem de precisă a Universului timpuriu. Aceasta se bazează pe radiația cosmică de fond și este considerată standardul. Cu toate acestea, folosind Modelul Standard și ecuațiile lui Einstein, cosmosul modern ar trebui să fie mai „neuniform”. Realitatea s-a dovedit a fi diferită.

Tensiunea S8: Unde teoria se prăbușește

Cosmologii își testează modelele în două moduri. Prima se bazează pe o analiză a radiației cosmice de fond înregistrate de satelitul Planck. Aceste date descriu universul de acum 380.000 de ani și le permit să calculeze viitorul acestuia.

A doua metodă este observarea directă a Universului modern. Aceasta folosește metoda lentilei gravitaționale slabe. Masa, în principal materia întunecată, deformează spațiu-timpul și distorsionează lumina galaxiilor îndepărtate. Aceste distorsiuni sunt folosite pentru a construi o hartă a distribuției materiei.

Problema este că metodele nu mai sunt concorde. Măsurătorile moderne arată o distribuție mai uniformă a materiei. Valoarea parametrului S8 este mai mică decât cea așteptată. Discrepanța ajunge la 2-3 sigma. Pentru fizică, aceasta indică fie o eroare sistematică, fie un model incomplet.

Un sector întunecat cu o conexiune neașteptată

În cosmologia standard, materia întunecată este considerată rece și pasivă. Ea interacționează cu lumea înconjurătoare aproape exclusiv prin gravitație. Neutrinii sunt, de asemenea, considerați a fi particule practic independente, care pătrund liber în spațiu.

Autorii noii lucrări au propus un scenariu diferit. Ei au admis împrăștierea elastică între materia întunecată și neutrini. În universul timpuriu, neutrinii erau extrem de denși și rapizi. Chiar și interacțiunea slabă le permitea să transfere impuls particulelor de materie întunecată.

Acest proces duce la un fenomen numit amortizare a difuziei. Gravitația tinde să colecteze materia întunecată în halouri dense, în timp ce împrăștierea neutrinilor împiedică acest lucru. Drept urmare, creșterea structurilor încetinește, iar fluctuațiile mici de densitate sunt atenuate.

Conform calculelor, acest lucru este ceea ce scade parametrul S8. Universul apare astăzi mai omogen decât a prezis modelul standard fără interacțiuni.

Date, simulări și limitele descoperirii

Pentru a testa ipoteza, oamenii de știință au combinat mai multe surse independente de observații:

• Datele satelitului Planck
• Măsurători de înaltă rezoluție unghiulară cu telescop ACT
• Harta distribuției materiei DES Y3

Analiza a inclus modelare computerizată complexă și luarea în considerare a gravitației neliniare. Analiza statistică a arătat că modelul Lambda-CDM standard oferă o descriere slabă a setului de date. Un model cu interacțiuni între materia întunecată și neutrini rezolvă discrepanța.

Intensitatea optimă de interacțiune este estimată la aproximativ 10^-4. Semnificația statistică atinge nivelul de 3 sigma. În fizică, aceasta este considerată o dovadă serioasă, dar nu este încă o descoperire.

Dacă descoperirile se confirmă, materia întunecată va înceta să mai fie un fenomen de fond pasiv. Va deveni un participant activ la procesele din Univers. Observațiile viitoare ale Observatorului Vera Rubin și ale telescopului CSST ar trebui să ofere răspunsul final.

Astronomii au raportat posibila primă observație a materiei întunecate, potrivit publicației Journal of Cosmology and Astroparticle Physics. Studiul este deja considerat una dintre cele mai interesante descoperiri din astrofizica modernă, deși rezultatele sale necesită confirmare.

Cum a apărut misterul materiei întunecate

Materia întunecată este o substanță invizibilă despre care se estimează că reprezintă peste 85% din toată materia din Univers. Ea leagă galaxiile între ele, dar nu interacționează cu materia obișnuită în niciun alt mod în afară de gravitație. Prin urmare, detectarea ei directă era considerată aproape imposibilă.

Astronomul Tomonori Totani explică faptul că materia barionică obișnuită este prea insuficientă pentru a menține galaxiile laolaltă. Modelele sugerează că materia întunecată o depășește numeric de cinci ori, creând un „schelet” în jurul căruia se formează stelele și planetele.

Ce au descoperit mai exact cercetătorii?

O teorie importantă susține că materia întunecată este compusă din WIMP-uri - particule masive care interacționează slab. Când se ciocnesc, ar trebui să se anihileze, producând raze gamma. Astronomii încearcă să detecteze acest semnal de zeci de ani.

O echipă a analizat date acumulate timp de 15 ani de la Telescopul Spațial Fermi Gamma-ray al NASA și a descoperit un halou de raze gamma în apropierea centrului Căii Lactee.

Potrivit autorilor studiului, „
Am detectat raze gamma cu energii fotonice de 20 de gigaelectronvolți care se propagă într-o structură asemănătoare unui halo. Intensitatea radiației este în concordanță cu anihilarea unei WIMP cu o masă de aproximativ 500 de ori mai mare decât cea a unui proton.”

Scepticismul și nevoia de verificare

Nu toți colegii împărtășesc entuziasmul. Teoreticianul Kinwa Wu a declarat:
„Avem nevoie de dovezi extraordinare pentru a face o afirmație extraordinară. Această analiză nu a atins încă acest statut.”

Totani este de acord că rezultatele sunt preliminare. Pentru a confirma descoperirea, este necesar să se găsească o semnătură similară de raze gamma în galaxiile pitice din jurul Căii Lactee. Acest lucru va deveni posibil odată ce se vor acumula mai multe date.

Încă mai suntem departe de a ajunge la concluzii definitive. Însă astronomii consideră deja observația drept una dintre cele mai promițătoare căutări efectuate vreodată pentru materie „fantomă” din Univers.

Fizicienii siberieni au dezvoltat o metodă care ar putea permite detectarea particulelor candidate pentru materia întunecată.

Cercetătorii de la Institutul de Fizică Nucleară (INP) al Filialei Siberiene a Academiei Ruse de Științe (SB RAS) au dezvoltat un concept care, utilizând un detector criogenic pe bază de argon creat de ei, va permite detectarea particulelor candidate de materie întunecată. Lucrarea oamenilor de știință a fost publicată în The European Physical Journal C.

Materia întunecată nu interacționează electromagnetic, dar interacționează gravitațional. Nu a fost niciodată observată direct, dar există ample dovezi indirecte ale existenței sale. Un candidat probabil pentru materia întunecată este WIMP (Weakly Interacting Massive Particle).

Cea mai promițătoare modalitate de a-l căuta în fizică este considerată în prezent a fi crearea de detectoare bifazice bazate pe gaze nobile - argon sau xenon. Primele au avantajul de a fi mai sensibile - și, prin urmare, pot detecta energia particulei care interacționează cu ele - și sunt mai ușor de scalat. Configurația de la INP SB RAS utilizează, de asemenea, argon.

O parte din energia particulelor detectate de detectoarele de argon este convertită în lumină ultravioletă. Cercetătorii de la Institutul de Fizică Nucleară SB RAS au studiat mecanismele emisiei vizibile fără utilizarea de schimbătoare de spectru - materiale capabile să reemită lumină în intervalul vizibil dorit.

Oamenii de știință au propus o abordare alternativă pentru detectarea particulelor de materie întunecată. Aceștia au demonstrat că particulele suficient de grele pot fi detectate folosind semnalul electroluminescent generat atunci când acestea se ciocnesc cu atomii de argon într-un mediu suficient de încărcat. Dacă particula este grea, aceasta va transfera suficientă energie către nucleul de argon pentru ca oamenii de știință să-i poată observa semnalul, a remarcat unul dintre cercetători, Vladislav Oleynikov.

Citește sursa