Przez dziesięciolecia astrofizyka opierała się na proste i eleganckie założenie: ciemna materia niewidzialna, obojętna i komunikuje się z resztą Wszechświata wyłącznie przez grawitację. To kosmiczny klej, który utrzymuje galaktyki, który przekracza masy wszystkie widoczne gwiazdy i gaz pięć razy, ale to jest zupełnie “niemy” we wszystkich innych aspektach.
Jednak trzy ostatnie badania sugerują, że model ten zimnej, ciemnej i cichej” materii jest nadmiernym uproszczeniem. Nowe dane świadczą o tym, że ciemna materia może być o wiele bardziej aktywna, niż wcześniej sądzono: jest zdolny do czynienia ze zwykłą materią, zmieniać swoje zachowanie w zależności od środowiska i, być może, czyhających na myśli z powodu niedoskonałości metod statystycznych.
Chociaż te odkrycia nie są bezpośrednim dowodem na istnienie cząstek ciemnej materii, są znacznie zmieniają krajobraz poszukiwań. Najczęstszym składnikiem wszechświata może nie być pasywne tło, ale aktywny uczestnik fizyki kosmicznej.
Kolizji, zmieniające kształt galaktyk
W standardowej kosmologiczna modelu ciemna materia jest traktowany jako “duch”, przechodzący przez zwykłą materię, bez żadnej interakcji. Założenie to było w zwyczaju, nie dlatego, że zostało udowodnione, ale dlatego, że to robił modele matematyczne вычислимыми.
Nowe badanie przeprowadzone przez Connora Hynge i Glennisa R. Farrara z New York University kwestionuje tę bezwładność. Oni opracowali symulacji, w których cząstki ciemnej materii na tyle lekkie, aby mieć do czynienia z барионами (protonami i neutronami) wewnątrz i wokół galaktyk wielkości drogi mlecznej.
W tradycyjnych симуляциях widzialna materia galaktyki znieruchomiała wewnątrz statycznego halo ciemnej materii, jak owad w bursztynie. Nie ma między nimi komunikacji. Jednak model Хайнже i Farrar wprowadza “kanał łączności” między ciemnej i zwykłej materii. Nawet niewielka częstotliwość interakcji zmienia Halo ciemnej materii od wewnątrz na zewnątrz.
Dlaczego jest to ważne: interakcja Ta rozkłada masy w jądrze galaktyki mniej niż miliard lat — moment, w kosmicznej skali. Co ważne, jest redystrybucja rozwiązuje “problem jądra i ostrego szczytu” (core-cusp problem), długoletni rozbieżności, w którym symulacji przewidzieć zakończenie szczytu ciemnej materii w centrach galaktyk, a teleskopy obserwowano znacznie mniejszą gęstość. Jeśli ciemna materia zderza się z normalnego, to w naturalny sposób wygładza tę gęstość, zgadza się teorii z obserwacjami.
Statystyczne pułapka: отсекаем czy możemy zbyt wiele?
Jeśli ciemna materia oddziałuje ze zwykłą materią, dlaczego my tego nie widzimy? Fizycy od dawna wykorzystują dane o реликтовом promieniowania elektromagnetycznego (kosmicznym mikrofalowym tle) — послесвечении Wielkiego wybuchu — w celu nawiązania ścisłych górnych granic takich interakcji. Dane z satelity Planck Europejskiej agencji kosmicznej wskazywały na to, że rozproszenie ciemnej materii na protonach praktycznie nie istnieje.
Jednak zespół pod kierownictwem Marii S. Strita z uniwersytetu Teksańskiego w Austin twierdzi, że ograniczenia te mogą być matematycznymi artefaktów, a nie fizycznymi prawdami.
Problem tkwi w байесовском analizie, standardowym ujęciu narzędzia do interpretacji danych relikt promieniowania. Ta metoda wymaga, aby badacze podawali “a priori założenia” — początkowe założenia o tym, gdzie może znajdować się odpowiedź. Podczas wyszukiwania исчезающе słabych sygnałów dane mogą stać się tak “nowoczesne”, że analiza zacznie odzwierciedlać początkowe założenia badacze, a nie mierzyć Wszechświat. To tworzy “efekty objętości a priori prawdopodobieństwa”, gdy pozornie wiarygodne ograniczenia w rzeczywistości są tylko odbiciem uprzedzeń.
** Rozwiązanie: * * zespół Straita zastosował inną metodę zwaną * * analizą profili prawdopodobieństwa**, która optymalizuje model, dając sygnał każdej możliwej przewagi bez polegania na założeniach a priori. Przy stosowaniu do danych Planck surowe wyjątki dla interakcji ciemnej materii znacznie osłabione.
Główny wniosek: możemy przedwcześnie odrzucić opłacalne modele ciemnej materii po prostu dlatego, że nasze narzędzia statystyczne zwiększały nasze własne nastawienie. Opcje, które uważaliśmy za zmarłych, mogą wciąż być żywi.
Kameleon w centrum galaktyki
Ostatni fragment układanki pochodzi z centrum naszej Drogi Mlecznej. Kosmiczny gamma-teleskop Fermi NASA odkrył nadmiar promieni gamma w centrum galaktyki, znany jako Nadmiar promieniowania gamma w centrum Galaktyki (GCE). Jedną z atrakcyjnych hipotez głosi, że ten blask pochodzi od zagłady cząstek ciemnej materii ze sobą.
Problem: Jeśli ciemna materia аннигилирует w centrum galaktyki, musi zniszczenia i w małych satelitarnych galaktyk Drogi Mlecznej (galaktykach karłowatych). Te satelity stanowią bardziej “czystej” środę z mniejszą астрофизическим hałasu, co czyni je idealnymi do wykrywania. Jednak tam nie znaleziono żadnego takiego nadmiaru promieni gamma.
Usher Berlin z Фермилаба i jego koledzy proponują rozwiązanie: “дсферобофобная ciemna materia” (dSphobic Dark Matter).
Model ten zakłada, że ciemna materia istnieje w dwóch stanach:
1. ** Stan podstawowy * * (niższa energia).
2. ** Stan wzbudzony * * (nieco wyższa energia).
Zagłady — i następuje promienie gamma — występuje tylko w przypadku zderzenia cząstek z tych dwóch różnych stanów.
- W centrum Galaktyki: Środa gęsta, chaotyczna i szybka. Cząstki ciemnej materii często rozchodzą się, biorąc niektóre z nich w stan wzbudzony. Te podekscytowany cząstki następnie zderzają się z cząsteczkami w zasadzie stanie, аннигилируя i produkując obserwowane promieniowanie gamma.
- W galaktykach karłowatych: Środa mniej, zimniej i wolniej. Kolizji jest zbyt miękkie, aby wzbudzić cząstki. Bez podekscytowany cząstek zagłady nie może się zdarzyć, i promienie gamma nie są generowane.
To wyjaśnia, dlaczego sygnał jest obecny w centrum galaktyki, ale nie występuje w galaktykach satelitarnych: ciemna materia zachowuje się inaczej w zależności od warunków otoczenia.
Zawarcie
Składanie obraz jest dynamiczny i skomplikowany sektor ciemnej materii. Ciemna materia, być może, nie безмuted samotny duch, a cząstka, która boryka się ze zwykłą materią, ukrywa się od statystycznego wykrywania z metodologicznego uprzedzeń i zmienia swoje zachowanie obserwowane w zależności od warunków lokalnych.
Chociaż badania te nie dowodzą istnienia poszczególnych cząstek ciemnej materii, niszczą sztywną paradygmat “tylko grawitacja”. Rozszerza zakres możliwych interakcji, fizyki otwierają się nowe drzwi, aby odkryć, przekształcając statycznej tajemnicę w dynamiczny obszar badań.
