Πώς μελετάς κάτι αόρατο; Αυτή είναι μια πρόκληση που αντιμετωπίζουν οι αστρονόμοι που μελετούν τη σκοτεινή ύλη. Αν και η σκοτεινή ύλη αποτελεί το 85% της συνολικής ύλης στο σύμπαν, δεν αλληλεπιδρά με το φως. Μπορεί να φανεί μόνο μέσω της βαρυτικής επιρροής που έχει στο φως και σε άλλη ύλη. Για να γίνουν τα πράγματα χειρότερα, οι προσπάθειες για την άμεση ανίχνευση της σκοτεινής ύλης στη Γη έχουν αποτύχει μέχρι στιγμής.
Παρά την άπιαστη ποιότητα της σκοτεινής ύλης, έχουμε μάθει πολλά πράγματα γι' αυτήν. Γνωρίζουμε ότι δεν είναι απλώς σκοτάδι αλλά και κρύο. Ως αποτέλεσμα, συσσωρεύεται μεταξύ τους, σχηματίζοντας τους σπόρους των σμηνών γαλαξιών. Επίσης συχνά σχηματίζει φωτοστέφανα γύρω από τους γαλαξίες, που αποτελούν την πλειοψηφία της μάζας ενός γαλαξία. Ωστόσο, υπάρχουν ακόμα πολλά αναπάντητα ερωτήματα σχετικά με τη σκοτεινή ύλη, έτσι οι αστρονόμοι συχνά αναπτύσσουν νέα μοντέλα για τη σκοτεινή ύλη, συγκρίνοντάς τα με την παρατήρηση για να ελέγξουν την ακρίβειά τους.
Ένας τρόπος για να γίνει αυτό είναι μέσω εξελιγμένων προσομοιώσεων υπολογιστή. Πρόσφατα, μια ομάδα από το Κέντρο Αστροφυσικής του Χάρβαρντ & Σμιθσόνιαν διεξήγαγε μια λεπτομερή προσομοίωση του σύμπαντος της σκοτεινής ύλης και έδωσε μερικά εκπληκτικά αποτελέσματα.
Ο ανιχνευτής νετρίνων IceCube στην Ανταρκτική έψαξε για WIMP. Πίστωση: IceCube Collaboration/NSF
Η ακρίβεια οποιασδήποτε προσομοίωσης σκοτεινής ύλης εξαρτάται από τις υποθέσεις που κάνετε για τη σκοτεινή ύλη. Σε αυτή την περίπτωση, η ομάδα υπέθεσε ότι η σκοτεινή ύλη αποτελείται από ασθενώς αλληλεπιδρώντα μαζικά σωματίδια (WIMPs) με μάζα περίπου 100 φορές μεγαλύτερη από αυτή ενός πρωτονίου. Τα WIMP είναι μια από τις πιο δημοφιλείς θεωρίες για τη σκοτεινή ύλη. Παρόμοιες προσομοιώσεις υπολογιστή της σκοτεινής ύλης WIMP έχουν γίνει στο παρελθόν. Ωστόσο, αυτό ήταν εξαιρετικά υψηλής ανάλυσης, προσομοιώνοντας χαρακτηριστικά σε κλίμακα που κυμαίνεται σε τριάντα τάξεις μεγέθους.
Σε αυτή την προσομοίωση, η σκοτεινή ύλη σχηματίστηκε σε φωτοστέφανα γύρω από τους γαλαξίες, όπως ακριβώς παρατηρούμε. Αλλά είναι ενδιαφέρον ότι ανακάλυψε ότι οι φωτοστέφανοι αναπτύχθηκαν επίσης σε όλες τις κλίμακες μάζας, από μικρές, πλανήτες μάζας, μέχρι γαλαξιακές φωτοστέφανες, έως ογκώδεις φωτοστέφανες που σχηματίζονται γύρω από σμήνη γαλαξιών. Αυτά τα φωτοστέφανα έχουν παρόμοια δομή, όπου είναι πιο πυκνά προς το κέντρο τους, και γίνονται πιο διάχυτα στις άκρες τους. Το γεγονός ότι αυτό συμβαίνει σε όλες τις κλίμακες το καθιστά σαφές χαρακτηριστικό της σκοτεινής ύλης.
Η προσομοίωση δείχνει φωτοστέφανα της σκοτεινής ύλης σε όλες τις κλίμακες. Πίστωση: J. Wang; S. Bose/Κέντρο Αστροφυσικής
Ενώ τα μικρής κλίμακας φωτοστέφανα είναι πολύ μικρά για να ανιχνευθούν μέσω της βαρυτικής τους επίδρασης στο φως, θα μπορούσαν να μας πουν πώς αλληλεπιδρά η σκοτεινή ύλη με τον εαυτό της. Μια ιδέα για τη σκοτεινή ύλη είναι ότι όταν τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης συγκρούονται, εκπέμπουν ακτινοβολία γάμμα. Μερικές παρατηρήσεις ακτίνων γάμμα υπαινίσσονται α Η περίσσεια ακτίνων γάμμα προέρχεται από το κέντρο του γαλαξία μας, η οποία θα μπορούσε να προκληθεί από τη σκοτεινή ύλη. Σε αυτό το συγκεκριμένο μοντέλο, η περισσότερη ακτινοβολία γάμμα που παράγεται από τη σκοτεινή ύλη θα προέρχεται από μικρότερα φωτοστέφανα. Δεδομένου ότι η κλίμακα ενός φωτοστέφανου θα επηρέαζε το ενεργειακό φάσμα των ακτίνων γάμμα, αυτό το μοντέλο κάνει συγκεκριμένες προβλέψεις σχετικά με την περίσσεια ακτίνων γάμμα που θα πρέπει να δούμε τόσο στον Γαλαξία μας όσο και σε άλλους γαλαξίες.
Η σκοτεινή ύλη παραμένει ένα από τα μεγαλύτερα άλυτα προβλήματα στη σύγχρονη αστρονομία. Αν και θα θέλαμε να το ανιχνεύσουμε άμεσα, μέχρι να συμβεί αυτό, προσομοιώσεις όπως αυτή είναι ένα από τα πιο ισχυρά εργαλεία μας για την καλύτερη κατανόηση της σκοτεινής ύλης.
Αναφορά:Wang, J., Bose, S., Frenk, C.S. et al. ' Καθολική δομή φωτοστέφανων σκοτεινής ύλης σε εύρος μάζας 20 τάξεων μεγέθους .Φύση585.7823 (2020): 39-42.