ตั้งแต่ "ยุคทองของสัมพัทธภาพทั่วไป" ในปี 1960 นักวิทยาศาสตร์ได้ถือกันว่าจักรวาลส่วนใหญ่ประกอบด้วยมวลที่มองไม่เห็นลึกลับที่รู้จักกันในชื่อ "สสารมืด" ตั้งแต่นั้นมานักวิทยาศาสตร์ได้พยายามที่จะแก้ไขปัญหาลึกลับนี้ด้วยวิธีการสองง่าม ในอีกด้านหนึ่งนักฟิสิกส์ดาราศาสตร์ได้พยายามค้นหาอนุภาคของผู้สมัครที่สามารถอธิบายมวลนี้ได้
ในอีกทางหนึ่งนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์พยายามหาพื้นฐานทางทฤษฎีที่สามารถอธิบายพฤติกรรมของ Dark Matter ได้ จนถึงตอนนี้การอภิปรายได้คำนึงถึงคำถามว่า "ร้อน" หรือ "เย็น" ด้วยความเยือกเย็นเพลิดเพลินกับขอบเพราะความเรียบง่ายสัมพัทธ์ อย่างไรก็ตามการศึกษาใหม่ดำเนินการนำโดยศูนย์ดาราศาสตร์ฟิสิกส์ฮาร์วาร์ด - สมิ ธ โซเนียน (CfA)
สิ่งนี้มีพื้นฐานมาจากการจำลองจักรวาลของการก่อตัวกาแลคซีโดยใช้แบบจำลองของจักรวาลซึ่งรวมถึง Dark Matter แบบโต้ตอบ การจำลองได้ดำเนินการโดยทีมนักวิจัยนานาชาติจาก CfA สถาบัน Kavli สำหรับฟิสิกส์ดาราศาสตร์และการวิจัยอวกาศของ MIT สถาบัน Leibniz Institute สำหรับ Astrophysics Potsdam และมหาวิทยาลัยหลายแห่ง การศึกษาเมื่อเร็ว ๆ นี้ปรากฏใน ประกาศรายเดือนของสมาคมดาราศาสตร์.
เมื่อมันมาถึงมัน Dark Matter จะถูกตั้งชื่ออย่างเหมาะสม สำหรับ starters นั้นคิดเป็นประมาณ 84% ของมวลของเอกภพ แต่ไม่ปล่อยออกมาดูดซับหรือสะท้อนแสงหรือรูปแบบอื่น ๆ ของรังสีที่รู้จัก ประการที่สองคือมันไม่มีประจุไฟฟ้าและไม่โต้ตอบกับสิ่งอื่นยกเว้นผ่านแรงโน้มถ่วงจุดอ่อนที่สุดของแรงพื้นฐานทั้งสี่
ประการที่สามมันไม่ได้ประกอบด้วยอะตอมหรือหน่วยการสร้างปกติ (เช่นอิเล็กตรอนโปรตอนและนิวตรอน) ซึ่งก่อให้เกิดธรรมชาติที่ลึกลับ ด้วยเหตุนี้นักวิทยาศาสตร์จึงตั้งทฤษฎีว่ามันต้องประกอบด้วยสสารชนิดใหม่บางอย่างที่สอดคล้องกับกฎของจักรวาล แต่ไม่ปรากฏในการวิจัยฟิสิกส์ของอนุภาคแบบดั้งเดิม
โดยไม่คำนึงถึงธรรมชาติที่แท้จริงของมัน Dark Matter มีอิทธิพลอย่างลึกซึ้งต่อวิวัฒนาการของจักรวาลตั้งแต่ประมาณ 1 พันล้านปีหลังจากบิ๊กแบงเป็นต้นไป ในความเป็นจริงเชื่อกันว่ามีบทบาทสำคัญในทุกสิ่งตั้งแต่การก่อตัวของกาแลคซีไปจนถึงการกระจายของรังสีคอสมิคไมโครเวฟพื้นหลัง (CMB)
แบบจำลองทางดาราศาสตร์ที่เพิ่มเติมเข้ามาโดยคำนึงถึงบทบาทที่เล่นโดย Dark Matter นั้นได้รับการสนับสนุนจากการสำรวจโครงสร้างของจักรวาลทั้งสองประเภทนี้ นอกจากนี้พวกมันยังสอดคล้องกับพารามิเตอร์ของจักรวาลเช่นอัตราที่เอกภพกำลังขยายตัวซึ่งได้รับอิทธิพลจากพลังลึกลับที่มองไม่เห็น (เรียกว่า "พลังงานมืด")
ขณะนี้แบบจำลองที่ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางที่สุดของ Dark Matter เข้าใจว่ามันไม่ได้มีปฏิสัมพันธ์กับสสารหรือการแผ่รังสีชนิดอื่น ๆ (รวมถึงตัวมันเอง) นอกเหนือจากอิทธิพลของแรงโน้มถ่วง - นั่นคือ "เย็น" นี่คือสิ่งที่เรียกว่าสถานการณ์ Cold Dark Matter (CDM) ซึ่งมักจะรวมกับทฤษฎีพลังงานมืด (แสดงโดยแลมบ์ดา) ในรูปแบบของแบบจำลองจักรวาลวิทยา LCDM
รูปแบบทางทฤษฎีของ Dark Matter นี้เรียกอีกอย่างว่า
“ [CDM] เป็นรุ่นที่ได้รับการทดสอบและเป็นที่ต้องการมากที่สุด นี่เป็นหลักเพราะในช่วงสี่ทศวรรษที่ผ่านมาผู้คนทำงานอย่างหนักเพื่อคาดการณ์โดยใช้ Dark Matter เย็นเป็นกระบวนทัศน์มาตรฐาน - สิ่งเหล่านี้จะถูกนำไปเปรียบเทียบกับข้อมูลจริง - ด้วยการค้นพบโดยทั่วไปแล้วโมเดลนี้สามารถ สร้างปรากฏการณ์ที่สังเกตได้ในช่วงกว้างของเครื่องชั่งที่หลากหลาย”
ในขณะที่เขาอธิบายมันสถานการณ์ Dark Matter เย็นกลายเป็นนักวิ่งหน้าหลังจากการจำลองเชิงตัวเลขของวิวัฒนาการของจักรวาลกำลังดำเนินการโดยใช้ "hot Dark Matter" - ในกรณีนี้นิวตริโน เหล่านี้เป็นอนุภาคของอะตอมที่มีความคล้ายคลึงกับ
การจำลองเหล่านี้แสดงให้เห็นว่าการแจกแจงที่ทำนายไว้ดูเหมือนไม่มีอะไรเหมือนจักรวาลทำในวันนี้” โบสกล่าวเสริม “ ด้วยเหตุนี้จึงมีการพิจารณาข้อ จำกัด ที่ตรงกันข้ามคืออนุภาคที่มีความเร็วแทบจะไม่เกิดเมื่อพวกเขาเกิดมา (aka“ เย็น”) แบบจำลองที่รวมผู้สมัครรายนี้เข้ากับการสำรวจสมัยใหม่ของจักรวาลอย่างใกล้ชิดยิ่งขึ้น
นักดาราศาสตร์พบข้อตกลงที่น่าตกใจระหว่างเอกภพจำลองและเอกภพที่สังเกตการณ์ ในทศวรรษต่อ ๆ มาอนุภาคเย็นได้รับการทดสอบผ่านการทดสอบที่เข้มงวดและไม่น่าสนใจมากกว่าการกระจุกกาแลคซีแบบง่ายๆและโดยทั่วไปมันจะผ่านแต่ละสีเหล่านี้ด้วยสีที่บินได้”
แหล่งที่มาของการอุทธรณ์ก็คือความจริงที่ว่า Dark Dark Matter (อย่างน้อยในทางทฤษฎี) ควรจะตรวจจับได้ไม่ว่าโดยตรงหรือโดยอ้อม อย่างไรก็ตามนี่คือจุดที่ CDM ประสบปัญหาเนื่องจากความพยายามทั้งหมดในการตรวจจับอนุภาคเดียวจนล้มเหลว เช่นนี้นักดาราศาสตร์วิทยาได้พิจารณาผู้สมัครที่เป็นไปได้อื่น ๆ ซึ่งจะมีปฏิสัมพันธ์กับเรื่องอื่นในระดับที่น้อยลง
นี่คือสิ่งที่ Sownak Bose นักดาราศาสตร์แห่ง CfA พยายามค้นหาด้วยทีมนักวิจัยของเขา เพื่อประโยชน์ในการศึกษาของพวกเขาพวกเขามุ่งเน้นไปที่ผู้สมัคร "Dark" สสารมืด อนุภาคประเภทนี้จะมีความสามารถในการโต้ตอบอย่างละเอียดกับอนุภาคแสงที่เคลื่อนที่เข้ามาใกล้กับความเร็วของแสงแม้ว่าจะน้อยกว่าความหลากหลายที่ "ร้อน" แบบโต้ตอบมากขึ้น
โดยเฉพาะอย่างยิ่งมันสามารถโต้ตอบกับนิวตริโนซึ่งเป็นอดีตนักวิ่งหน้าสำหรับสถานการณ์ HDM นิวตริโนมีความคิดว่าแพร่หลายมากในช่วงแรก ๆ ของเอกภพที่ร้อนแรงดังนั้นการมีปฏิสัมพันธ์ระหว่างกันกับสสารมืดจะมีอิทธิพลอย่างมาก
“ ในโมเดลรุ่นนี้อนุภาคของ Dark Matter นั้นได้รับอนุญาตให้มีปฏิสัมพันธ์ที่ จำกัด (แต่อ่อนแอ) กับสปีชี่ที่มีการแผ่รังสีเช่นโฟตอนหรือนิวตริโน” ดร. โบเซ่กล่าว “ การมีเพศสัมพันธ์ครั้งนี้ทำให้เกิดรอยประทับที่ไม่เหมือนใครใน 'ความเป็นปึกแผ่น' ของเอกภพในยุคแรก ๆ ซึ่งแตกต่างอย่างมากกับสิ่งที่คาดหวังหากสสารมืดเป็นอนุภาคเย็น "
เพื่อทดสอบสิ่งนี้ทีมได้จำลองการจำลองเกี่ยวกับดาราศาสตร์ที่ล้ำสมัยในโรงงานซูเปอร์คอมพิวเตอร์ที่ Harvard และมหาวิทยาลัยไอซ์แลนด์ การจำลองเหล่านี้พิจารณาว่าการก่อตัวของกาแลคซีจะได้รับผลกระทบอย่างไรจากการปรากฏตัวของสสารที่อบอุ่นและมืดจากประมาณ 1 พันล้านหลังจากบิ๊กแบงถึง 14 พันล้านปี (ประมาณปัจจุบัน) ดร. โบสระบุ:
“ [W] e ใช้แบบจำลองคอมพิวเตอร์เพื่อสร้างความเข้าใจว่าเอกภพนี้อาจมีลักษณะอย่างไรหลังจากวิวัฒนาการมา 14 พันล้านปี นอกเหนือจากการสร้างแบบจำลององค์ประกอบ Dark Matter เรายังรวมถึงใบสั่งยาที่ทันสมัยสำหรับการก่อตัวดาวผลกระทบของซูเปอร์โนวาและหลุมดำการก่อตัวของโลหะ ฯลฯ.”
จากนั้นทีมก็เปรียบเทียบผลลัพธ์กับแต่ละอื่น ๆ เพื่อระบุลายเซ็นลักษณะที่จะแยกความแตกต่างจากคนอื่น สิ่งที่พวกเขาพบก็คือสำหรับการจำลองหลายครั้งเอฟเฟกต์ของ Dark Matter แบบโต้ตอบนี้เล็กเกินไปที่จะสังเกตได้ อย่างไรก็ตามพวกมันอยู่ในรูปแบบที่แตกต่างกันโดยเฉพาะในทางที่กาแลคซีที่อยู่ไกลออกไปถูกกระจายไปทั่วอวกาศ
การสังเกตนี้น่าสนใจเป็นพิเศษเพราะสามารถทดสอบได้ในอนาคตโดยใช้เครื่องมือรุ่นต่อไป “ วิธีการทำเช่นนี้คือการทำแผนที่ความเป็นก้อนของเอกภพในช่วงแรก ๆ โดยดูจากการกระจายของก๊าซไฮโดรเจน” ดร. โบเซ่อธิบาย “ ตามหลักแล้วนี่เป็นเทคนิคที่ได้รับการยอมรับอย่างดี: เราสามารถตรวจสอบไฮโดรเจนที่เป็นกลางในเอกภพยุคแรกได้โดยดูที่สเปกตรัมของกาแลคซีไกลโพ้น (โดยปกติคือควาซาร์)”
ในระยะสั้นแสงเดินทางมายังเราจากกาแลคซีไกลโพ้นต้องผ่านสื่อกลางอวกาศ หากมีไฮโดรเจนเป็นกลางจำนวนมากในตัวกลางที่ถูกแทรกแซงเส้นเปล่งแสงจากกาแลคซีจะถูกดูดซับบางส่วนในขณะที่มันจะไม่ถูกขัดขวางหากมีน้อย ถ้าสสารมืดนั้นเย็นจริง ๆ มันจะปรากฏในรูปของการกระจายของก๊าซไฮโดรเจน "ก้อน" มากในขณะที่สถานการณ์ WDM จะส่งผลให้ก้อนสั่น
ปัจจุบันเครื่องมือทางดาราศาสตร์ยังไม่ได้รับการแก้ไขที่จำเป็นในการวัดความผันผวนของก๊าซไฮโดรเจนในเอกภพยุคแรก ๆ แต่ดังที่ดร. โบสระบุการวิจัยครั้งนี้อาจเป็นแรงผลักดันสำหรับการทดลองใหม่และสิ่งอำนวยความสะดวกใหม่ที่จะสามารถทำการสังเกตการณ์เหล่านี้ได้
ตัวอย่างเช่นตราสาร IR เช่น กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์ (JWST) สามารถใช้สร้างแผนที่ใหม่ของการกระจายการดูดซับก๊าซไฮโดรเจน แผนที่เหล่านี้จะสามารถยืนยันอิทธิพลของ Dark Matter แบบโต้ตอบหรือแยกมันออกเป็นผู้สมัคร หวังเป็นอย่างยิ่งว่างานวิจัยนี้จะสร้างแรงบันดาลใจให้ผู้คนนึกถึงผู้สมัครมากกว่าที่ได้รับการพิจารณาแล้ว
ในท้ายที่สุดดร. โบเซ่กล่าวว่าคุณค่าที่แท้จริงนั้นมาจากข้อเท็จจริงที่ว่าการคาดการณ์เชิงทฤษฎีประเภทนี้สามารถกระตุ้นการสังเกตการณ์ให้เป็นเขตแดนใหม่และทดสอบขอบเขตของสิ่งที่เราคิดว่าเรารู้ “ และนั่นคือวิทยาศาสตร์ทั้งหมดที่เป็นจริง ๆ ” เขากล่าวเสริม“ ทำการคาดการณ์เสนอวิธีการทดสอบทำการทดลองและจากนั้นก็บังคับใช้ / ตัดสินทฤษฎี!”
