A kozmikus struktúra kialakulása mind a nagy, mind a kis léptékben nagymértékben függ attól, hogy a sötét anyag és a normál anyag hogyan hatnak egymásra. A sötét anyaggal kapcsolatos közvetett bizonyítékok ellenére szívesen láthatnánk azt közvetlenül, ami csak akkor fordulhat elő, ha a normál anyag és a sötét anyag között nincs nulla keresztmetszet. (ILLUSTRIS EGYÜTTMŰKÖDÉS / ILLUSTRIS SZIMULÁCIÓ)

A hideg sötét anyagot a csillagok melegítik, bár nem tudják úgy érezni őket

Ha a sötét anyag nem lép kölcsönhatásba a normál anyaggal vagy a fénnyel, hogyan lehet felmelegíteni?

Korunk egyik legnagyobb kozmikus rejtélye a sötét anyag jelenléte és létezése. A normál anyagtól eltérően, amely ismert részecskékből áll, amelyek képesek kibocsátani, elnyelni vagy más módon kölcsönhatásba lépni a fénygel és a többi ismert részecskével, a sötét anyag egyszerűen csak magán és minden máson áthalad. Teljes mértékben láthatatlan, amennyire csak tudjuk, kivéve egy hatást: úgy tűnik, hogy gravitációs tömeggel rendelkezik. Ez befolyásolja a téridő görbületét, és együtt tartja a galaxisokat, a galaxiscsoportokat és a nagy kozmikus hálót.

A szimulációk futtatásakor azonban nagyon konkrét előrejelzéseket kapunk azoknak a szerkezeteknek a számára, amelyeknek a sötét anyagnak kialakulnia kell. A kozmikus web feláll, de a kisebb galaktikus lépték nem. A tudósok már régóta a hideg sötét anyag legnagyobb problémájaként fedezték fel a megoldást: a sötét anyagot a csillagok melegítik fel. Ez a történet arról, hogy ez hogyan történik.

A nagyon fiatal univerzumban elért magas hőmérsékleten nemcsak a részecskék és a fotonok képezhetők spontán módon, elegendő energiát adva, hanem a részecskék elleni és az instabil részecskék is, így elsődleges részecske- és részecskeellenes levest képezve. Noha a normál anyag és az antianyag részecskék ütközhetnek egymással és a sugárzással, a sötét anyag részecskéknek egyszerűen át kell haladniuk egymás között, kölcsönhatás nélkül. (BROOKHAVEN NEMZETI LABORATÓRIUM)

Képzelje el az Univerzumot, mint amilyen a nagy robbanás utáni legkorábbi szakaszaiban volt. Forró, sűrű, tele van anyaggal és sugárzással. Csak azon részecskék helyett, amelyekre kizárólag gondolhatunk - például az atomokat alkotó szubatomi részecskékre -, ötször annyi sötét anyag van. Ezekben a korai időkben a normál anyag részecskéi egymásba és fotonokba szakadnak, de a sötét anyag mindent átjut, elkerülve az ütközést.

Olyan, mintha a sötét anyag 100% -ban áteresztőképes: a normál anyag áthalad, az antianyag áthalad, a fotonok áthaladnak, még a sötét anyag részecskéi is áthaladnak rajta. Csak azért, mert a sötét anyag hideg, vagy a fénysebességhez képest nagyon lassan mozog, az végül gravitációs csomókba halmozódhat. Idővel pontosan ezt teszi meg, és a normál anyagot a korai időkben létrehozott gravitációs kutakba húzza.

Az univerzumban a legszélesebb körű megfigyelések, a kozmikus mikrohullámú háttértől a kozmikus webig, a galaxis klaszterekig az egyes galaxisokig, mind sötét anyagot igényelnek annak megmagyarázásához, amit megfigyelünk. A nagy léptékű szerkezet megköveteli, de ennek a szerkezetnek a magjai, a Kozmikus Mikrohullámú Háttérből szintén megkövetelik. (CHRIS BLAKE ÉS SAM MOORFIELD)

Akkor tehát egy olyan világegyetem, amelyben olyan térrészek vannak lakva, amelyek az anyag gömb alakú eloszlását tartalmazzák: normál és sötét is. Idővel a normál anyag összeütközik más normál anyag részecskékkel és összetapadva molekulákat képez, gázfelhőket képez és sugárzást bocsát ki. A normál, atom-alapú anyag az egyes régiók középpontjába süllyed, ahol tipikusan egy forgó, korongszerű alakot képez: amit galaxisként ismertünk.

Eközben a sötét anyag képtelen csinálni ilyesmit. Magában a galaxisban egy nagy, diffúz halogén marad. Ennek a szimulációk azt mutatják, hogy ennek függetlennek kell lennie a galaxis méretétől vagy méretétől. Függetlenül attól, hogy a teljes galaxis mennyire masszív, ott kell lennie egy sötét anyag halának, amely tízszeres vagy annál nagyobb tényezővel terjedhet az űrben maga a lemez felett. Ez igaz a Tejút méretű, nagyobb galaxisokra és még apró törpe galaxisokra is.

A modellek és a szimulációk szerint az összes galaxist be kell ágyazni sötét anyag halókba, amelyek sűrűsége a galaktikus központjain tetőzik. Elég hosszú, esetleg milliárd éves időtartamon belül egy halogon külterületén lévő egyetlen sötét anyag részecske teljesíti egy pályát. A gáz, a visszacsatolás, a csillagképződés, a szupernóvák és a sugárzás mindegyike bonyolítja ezt a környezetet, és rendkívül megnehezíti az univerzális sötét anyag előrejelzéseinek kinyerését (NASA, ESA, T. BROWN ÉS J. TUMLINSON (STSCI)).

Ez a szokásos kép: egy, amely több mint 20 éve a modern asztrofizika sarokköve. Az utóbbi időben azonban a törpe galaxisok megfigyelései - a galaxisok 0,1% és 1% között olyan masszív, mint a saját galaxisunk - megmutatták, hogy az univerzális sötét anyag profiljának ez a gondolata nem igazán felel meg az adatoknak. Különösen, ezek közül a galaxisok közül sok bizonyítékot mutat arra, hogy ezeknek a galaxisoknak a belső részében vagy a központi magukban kevesebb a sötét anyag, mint ezek a szimulációk megjósolják.

Ha egy galaxis szimulációját csak a sötét anyaggal végezzük, ez nem lehet a helyzet. De ha azt vesszük, amit már tudunk:

  • ez a sötét anyag nem lép kölcsönhatásba önmagával, a normál anyaggal vagy a sugárzással,
  • ez a normál anyag kölcsönhatásba léphet önmagával és a sugárzással, de nem sötét anyaggal,
  • és hogy a normál és a sötét anyag a gravitációs erőn keresztül képes kommunikálni,

lehetséges megoldás tűnik fel.

Csak a körülbelül 1000 csillag van jelen a törpe galaxisokban, a Segue 1 és a Segue 3ban, amelyek gravitációs tömege 600 000 Nap. Itt köröznek a Segue 1 törpe műholdat alkotó csillagok. Ha az új kutatás helyes, akkor a sötét anyag eltérő eloszlást fog betartani, attól függően, hogy a csillagképződés a galaxis történetében melegítette. (MARHA GEHA ÉS A KECK ÉSZREVÉTELEK)

A gondolkodás módja annak bemutatása, hogy mi történik a normál anyaggal a galaxis közepén, amikor nagyszámú új csillagot képez. A jelen lévő gáz lecsökken, új tömegeket hoz létre, különféle tömegekkel, és megkezdi a sugárzást, amelyet az ott nemrégiben kialakult fiatal csillagok bocsátanak ki.

Ez a legforróbb, legtömegebb csillag, amely a legnagyobb sugárzást bocsátja ki, és ezek a csillagok szintén anyagrészecskéket bocsátanak ki. Ezek a csillagszelek a gázt és port távolítják el a galaxis közepétől, növelve ezzel a kinetikus energiát. Mindez a normál anyag a galaxis magjába koncentrálódott, és a csillagképződés ezen új, fontos robbanása elmozdította azt. A galaxis központjában kevesebb anyag van - azaz normál anyag, azaz -, mint korábban.

A csillagképződés hatalmas kitörésein átesett galaxisok még sokkal nagyobb, tipikus galaxisokat is kivillanhatnak. Az M82, a szivar-galaxis, gravitációs kölcsönhatásban van szomszédjával (nem a képen), ez az aktív, új csillagképződés robbantását okozza, amely kilép a gázból a központi régiójából. A csillagszeleknek a vörös színe világosan látható (NASA, ESA, ÉS A CSALÁDOS ÖRÖKSÉG Csapat (STSCI / AURA))

Mi történik ezután?

Nos, gondolkodj azon, mi történne a Naprendszer bolygóival, ha nagy mennyiségű tömeget távolítana el a Napból. Az a nagy, központi tömeg tartja őket stabil, közel kör alakú pályájukban. Ha a tömeg nőne, akkor spiráljuk befelé; ha a tömeg csökken, akkor kifelé fordulnak.

Amikor a galaxisok csillagokat képeznek, úgy tűnik, mintha a központi régió elveszíti a tömeget, ami azt okozza, hogy a körülötte lévő összes anyag csökkenti a gravitációs vonzódást. Igen, a normál anyag kiürül a sugárzás, a szél és a nyomás miatt. Amint ez elkerül a központból, az összes jelen lévő anyagnak - mind normál, mind sötét - kevésbé van gravitációs vonzása, hogy a helyén maradjon. Az egyetlen lehetőség egy magasabb, kevésbé szorosan megkötött pályára lépés.

Bármelyik keringő rendszerben ez a központi belső tömeg értéke, amely tárgyakat állandó ellipszis alakú pályán tart. Ha a középső tömeg csökken, akkor a részecskék körüli pályái nagyobb és nagyobb távolságra kifelé fordulnak, tovább befolyásolva a középső régiók tömegét. (AMANDA SMITH, KAMBRIDÁLIS EGYETEM)

Ez a hatás az úgynevezett „sötét anyag melegítése”. Nem azt jelenti, hogy a csillagok bármely sugárzása vagy a normál anyag hője átjut a maga sötét anyagba; ez nem vonja maga után közvetlenül a hőmérsékletet vagy az energiaátadást.

Ehelyett az történik, hogy a normál anyagnak átadott kiegészítő energia kiszorítja azt, ahonnan korábban volt a legkoncentráltabb: a galaktikus központban. Amint ezt a normál anyagot eltávolítják a galaktikus központból, ott kevesebb a tömeg, hogy a sötét anyagot a helyén tartsa, és ennek is magasabb, kevésbé szorosan megkötött pályára kell lépnie. Mivel a sötét anyag kiszorul és magasabb, energikusabb pályára kerül, ugyanolyan hatásokkal jár, mintha a sötét anyag extra energiát adott. Valójában nem melegebb, mint korábban, de a hatások azonosak.

Egy hatalmas csillagképző régió az UGCA 281 törpe galaxisban, amelyet a látható és az ultraibolya fényben Hubble ábrázolt a LEGUS felmérés részeként. A kék fény csillagfényben forró, fiatal csillagok visszatükröződnek a háttérről, semleges gáz, míg a legfényesebb foltok a legnagyobb UV-sugárzást jelzik. A piros részek azonban bizonyítják az ionizált hidrogéngázt, amely jellegzetes vörös fényt bocsát ki, amikor az elektronok a szabad protonokkal kombinálódnak. A gázt ebből a régióból szállítják ki a legforróbb fiatal csillagok csillagszelei miatt. (NASA, ESA ÉS A LEGUS CSOPORT)

Bármely típusú galaxis élettartama alatt több cikluson át átáramlik a gázok a központi régiókban és onnan. Amikor a gázkoncentráció eléri a nagyon magas szintet, az új csillagképződést válthat ki; amikor a gázkoncentráció eléri az alacsony szintet, lehetetlen új csillag képződni.

Tehát mit jelent ez a valójában megtalálható törpe galaxisok esetében, ha ez az ötlet helyes?

Ez azt jelenti, hogy ha egy galaxisban csak néhány apró törés tört volna a középső csillagképződésből, akkor a magban lévő sötét anyag nem lett volna nagyon felmelegedve. Ennek nagy része továbbra is jelen lenne. A sötét anyag viszonylag magas értékére számíthat olyan törpe galaxisok központjában, amelyeknek központjában nagyon kevés története volt a csillagképződésnek.

Az NGC 5477 törpe galaxis a sok szabálytalan törpe galaxis egyike. A kék régiók jelzik az új csillagok kialakulását, ám sok ilyen galaxis több milliárd év alatt nem hozott létre új csillagokat. Ha a sötét anyag melegítésének gondolata helyes, akkor elvárhatja, hogy a törpe galaxisok tömegprofiljai a csillagképződés teljes története alapján eltérőek legyenek. (ESA / HUBBLE ÉS NASA)

De ha egy galaxis nagy mennyiségű csillagot hozott létre a története során, akkor inkább arra számíthat, hogy a galaxis közepén lévő gáz és anyag nagyrészt kiürül, ami a sötét anyagot magasabb körüli pályákra tolja, és megváltoztatja a következtetett tömegprofilt a galaxisban. Az első néhány milliárd év alatt gyakorlatilag minden galaxisnak csillagszóródási fázisa volt, ám a legkevésbé aktív galaxisok ezt követő milliárd éven át csendben voltak. Más szavakkal: a közelmúltbeli csillagképződés gazdag története a kis törzsű sötét anyagmaghoz vezet a törpe galaxisokban, míg kizárólag az ősi csillagképződésnek nagyobb tömegű magokhoz kell vezetnie.

Pontosan ezt találta egy Justin Read vezette csapat egy januárban kiadott új tanulmányban. Dr. Read szerint:

Valóban figyelemre méltó összefüggést találtunk az apró törpék középpontjában lévő sötét anyag mennyisége és az életen át tapasztalt csillagképződés között. A csillagképző törpék középpontjában levő sötét anyag úgy tűnik, hogy „felmelegszik” és kiszorul.

Látványos eset egy kifinomultabb szimulációról, amely magyarázza azt a jelenséget, amelyet a korábbi szimulációk, amelyek naivabb feltételezéseket tettek, nem tudták beszámolni.

A csillagképződés az apró törpe galaxisokban lassan „felmelegíti” a sötét anyagot, és kifelé tolja azt. A bal oldali kép a szimulált törpe galaxis hidrogén sűrűségét mutatja felülről nézve. A jobb oldali kép ugyanazt mutatja egy valódi törpe galaxis, IC 1613 esetében. A szimulációban az ismételt gázbeáramlás és -kifolyás miatt a törpe közepén lévő gravitációs mező erőssége ingadozik. A sötét anyag erre reagál, ha a galaxis közepéből kiáramlik, ezt a hatást „sötét anyag melegítésének” hívják. (READ J. I., WALKER M. G. és STEGER P. (2019), MNRAS 484, 1)

Hagyományosan, a sötét anyag a magyarázat annak a jelenségnek, amelyet a nagy kozmikus skálán megfigyeltünk. Elmagyarázza a kozmikus mikrohullámú háttér ingadozásait, az Univerzum nagyméretű felépítését, valamint a klaszterek és a galaxiscsoportok viselkedését oly módon, ahogyan egyetlen alternatíva sem képes. A legkisebb galaktikus lépték azonban problematikusnak bizonyult a sötét anyag szimulációjában, és sokan megkérdőjelezték annak érvényességét.

Ez az új felfedezés izgalmas olyan eset, ahol az elmélet és a megfigyelés tökéletesen felsorakozik, ha jobb számításokat végeznek. Ez végre megoldhatja a sötét anyag egyik legnagyobb problémáját: az univerzum legkisebb galaxisai viselkedésének magyarázata. A sötét anyagot még a közvetlen energiaátvitel nélkül is befolyásolja a körülötte lévő összes anyag gravitációja. Ha a csillagképződés tömegben mozog, akkor a sötét anyag is mozog. A hideg sötét anyagot közvetetten a csillagok melegítik fel. Végül végre megértjük, hogyan.

A Starts With A Bang mostantól a Forbes-en működik, és a Mediumon közzéteszik, a Patreon támogatóinknak köszönhetően. Ethan két könyvet írt, a Beyond The Galaxy és a Treknology: A Star Trek tudománya a Tricorders-től a Warp Drive-ig.