Астрономите откриват нова връзка между тъмната материя и бучките на Вселената

В проучване, публикувано днес в Вестник по космология и физика на астрочастицитеИзследователи от университета в Торонто разкриха теоретичен пробив, който може да обясни както невидимата природа на тъмната материя, така и мащабната структура на Вселената, известна като космическа мрежа. Резултатът установява нова връзка между тези два дългогодишни проблема в астрономията, отваряйки нови възможности за разбиране на Вселената.

Изследването предполага, че „проблемът със струпването“, който се съсредоточава върху неочаквано равномерното разпределение на материята в големи мащаби във Вселената, може да е знак, че тъмната материя е съставена от хипотетични свръхлеки частици, наречени аксиони. Последствията от доказването на съществуването на трудни за откриване оси се простират далеч отвъд разбирането на тъмната материя и биха могли да отговорят на фундаментални въпроси за природата на самата Вселена.

„Ако бъде потвърдено от бъдещи наблюдения с телескоп и лабораторни експерименти, намирането на аксионна тъмна материя ще бъде едно от най-важните открития на този век“, казва водещият автор Кийр Роджърс, сътрудник на Дънлап в Института за астрономия и астрофизика Дънлап в Колежа по изкуствата и астрофизика. Науки в Университета на Торонто.

„В същото време нашите резултати сочат към обяснение защо Вселената е по-малко бучка, отколкото си мислехме, наблюдение, което стана по-ясно изразено през последното десетилетие или така, и в момента оставя нашата теория за Вселената несигурна.“

Тъмната материя, която съставлява 85% от масата на Вселената, е невидима, защото не взаимодейства със светлината. Учените изучават ефектите на гравитацията върху видимата материя, за да разберат как тя е разпределена във Вселената.

Една водеща теория предполага, че тъмната материя е изградена от аксиони, описани в квантовата механика като „размити“ поради вълнообразното им поведение. За разлика от дискретните точковидни частици, аксионите могат да имат по-дълги дължини на вълната от цели галактики. Тази неяснота засяга състава и разпределението на тъмната материя, което може да обясни защо Вселената е по-малко бучка, отколкото би се очаквало във Вселена без оси.

Тази липса на струпване се наблюдава при проучвания на големи галактики, оспорвайки другата преобладаваща теория, че тъмната материя се състои единствено от слабо взаимодействащи тежки 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 разкриват, се правят нови открития и се решават стари проблеми“, казва Роджърс.

За проучването изследователският екип – ръководен от Роджърс и който включва членове на изследователската група на доцент Рене Хлучек в института Дънлап, както и от Университета на Пенсилвания, Института за напреднали изследвания, Колумбийския университет и Кралския колеж в Лондон – анализира наблюденията на остатъчната светлина от Големия взрив, известна още като фона Космически микровълни (CMB), получени от проучванията на Planck 2018 и от Atacama Cosmology and South Pole Telescope.

Изследователите сравняват тези CMB данни с данни за галактически клъстери от Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS), което картографира местоположенията на близо милион галактики в близката вселена. Чрез изучаване на разпределението на галактиките, които отразяват поведението на тъмната материя под гравитационните сили, те измерват колебанията в количеството материя във Вселената и потвърждават по-ниската й маса в сравнение с прогнозите.

След това изследователите проведоха компютърни симулации, за да предскажат появата на остатъчна светлина и разпределението на галактиките във вселената с дълги дължини на вълните на тъмната материя. Тези изчисления са в съответствие с CMB данни от Големия взрив и данни за клъстериране на галактики, подкрепяйки идеята, че размитите оси могат да обяснят проблема с клъстерирането.

Бъдещите изследвания ще включват широкомащабни проучвания за картографиране на милиони галактики и осигуряване на точни измервания на клъстерирането, включително наблюдения през следващото десетилетие с обсерваторията Рубин.

Изследователите се надяват да сравнят своята теория с директни наблюдения на тъмната материя чрез гравитационни лещи, ефект, при който агломерацията на тъмната материя се измерва от това как светлината от далечни галактики се огъва, подобно на гигантска лупа. Те също така планират да проучат как галактиките изхвърлят газ в космоса и как това влияе на разпределението на тъмната материя, за да потвърдят допълнително своите открития.

Разбирането на природата на тъмната материя е един от най-належащите фундаментални въпроси и ключ към разбирането на произхода и бъдещето на Вселената.

В момента учените нямат нито една теория, която да обясни едновременно гравитацията и квантовата механика – теорията на всичко. Най-популярната теория за всичко през последните няколко десетилетия е теорията на струните, която постулира друго, по-ниско ниво на квантово ниво, където всичко се състои от възбуждане на подобна на струна енергия. Според Роджърс откриването на мистериозна аксиална частица може да е намек, че струнната теория на всичко е правилна.

„Сега разполагаме с инструментите, които дори през следващото десетилетие или нещо такова, най-накрая могат да ни позволят да разберем нещо емпирично за вековна мистерия на тъмната материя – и това може да ни даде намеци за отговори на по-големи теоретични въпроси“, казва Роджърс. . „Надеждата е, че озадачаващите елементи на Вселената са разрешими.“