Астрономы обнаружили новую связь между темной материей и сгустками Вселенной

В исследовании, опубликованном сегодня в Журнал космологии и физики астрочастицИсследователи из Университета Торонто совершили теоретический прорыв, который может объяснить как невидимую природу темной материи, так и крупномасштабную структуру Вселенной, известную как космическая паутина. Результат устанавливает новую связь между этими двумя давними проблемами астрономии, открывая новые возможности для понимания Вселенной.

Исследование предполагает, что «проблема сгущения», которая сосредоточена на неожиданно равномерном распределении материи в больших масштабах по всей Вселенной, может быть признаком того, что темная материя состоит из гипотетических сверхлегких частиц, называемых аксионами. Последствия доказательства существования труднообнаружимых осей выходят далеко за рамки понимания темной материи и могут ответить на фундаментальные вопросы о природе самой Вселенной.

«Если будущие телескопические наблюдения и лабораторные эксперименты подтвердят это, обнаружение аксионной темной материи станет одним из самых важных открытий этого века», — говорит ведущий автор Кейр Роджерс, научный сотрудник Данлэпского института астрономии и астрофизики в Колледже искусств. и астрофизика. наук в Университете Торонто.

«В то же время наши результаты указывают на объяснение того, почему Вселенная менее шероховатая, чем мы думали, наблюдение, которое стало более очевидным за последнее десятилетие или около того, и в настоящее время оставляет нашу теорию Вселенной неопределенной».

Темная материя, составляющая 85% массы Вселенной, невидима, поскольку не взаимодействует со светом. Ученые изучают влияние гравитации на видимую материю, чтобы понять, как она распределяется во Вселенной.

Одна из ведущих теорий предполагает, что темная материя состоит из аксионов, которые в квантовой механике описываются как «нечеткие» из-за их волнообразного поведения. В отличие от дискретных точечных частиц, аксионы могут иметь более длинные волны, чем целые галактики. Эта нечеткость влияет на состав и распределение темной материи, что может объяснить, почему Вселенная менее шероховатая, чем можно было бы ожидать во Вселенной без осей.

Это отсутствие скопления наблюдалось в обзорах больших галактик, что ставит под сомнение другую преобладающую теорию о том, что темная материя состоит исключительно из слабо взаимодействующих тяжелых субатомных частиц, называемых вимпами. Несмотря на такие эксперименты, как Большой адронный коллайдер, не было найдено никаких доказательств существования вимпов.

«В науке, когда разгадываются идеи, делаются новые открытия и решаются старые проблемы», — говорит Роджерс.

Для исследования исследовательская группа под руководством Роджерса, в которую входят члены исследовательской группы доцента Рене Хлучек в Институте Данлэпа, а также из Пенсильванского университета, Института перспективных исследований, Колумбийского университета и Королевского колледжа Лондона — проанализировали наблюдения остаточного света Большого взрыва, также известного как фон, космические микроволны (CMB), полученные из обзоров Planck 2018 и космологического телескопа Atacama и телескопа Южного полюса.

Исследователи сравнили эти данные CMB с данными о скоплениях галактик из Спектроскопического обзора барионных колебаний (BOSS), которое отображает расположение почти миллиона галактик в соседней Вселенной. Изучая распределение галактик, которое отражает поведение темной материи под действием гравитационных сил, они измерили колебания количества материи во Вселенной и подтвердили ее меньшую массу по сравнению с предсказаниями.

Затем исследователи провели компьютерное моделирование, чтобы предсказать появление остаточного света и распределение галактик во Вселенной с длинноволновой темной материей. Эти расчеты согласуются с данными CMB от Большого взрыва и данными о кластеризации галактик, подтверждая идею о том, что нечеткие оси могут объяснить проблему кластеризации.

Будущие исследования будут включать в себя крупномасштабные исследования для картирования миллионов галактик и обеспечения точных измерений кластеризации, включая наблюдения в течение следующего десятилетия с помощью обсерватории Рубина.

Исследователи надеются сравнить свою теорию с прямыми наблюдениями за темной материей с помощью гравитационного линзирования — эффекта, при котором агломерация темной материи измеряется тем, как искривляется свет от далеких галактик, подобно гигантскому увеличительному стеклу. Они также планируют исследовать, как галактики выбрасывают газ в космос и как это влияет на распределение темной материи, чтобы еще больше подтвердить свои выводы.

Понимание природы темной материи — один из самых актуальных фундаментальных вопросов и ключ к пониманию происхождения и будущего Вселенной.

В настоящее время у ученых нет единой теории, которая объясняла бы и гравитацию, и квантовую механику одновременно — теории всего. Самой популярной теорией всего за последние несколько десятилетий является теория струн, которая постулирует другой, более низкий уровень квантового уровня, где все состоит из возбуждений струноподобной энергии. По словам Роджерса, открытие загадочной аксиальной частицы может быть намеком на то, что струнная теория всего верна.

«Теперь у нас есть инструменты, которые даже в следующем десятилетии или около того позволят нам, наконец, экспериментально понять кое-что о вековой тайне темной материи — и это может дать нам намеки на ответы на более крупные теоретические вопросы», — говорит Роджерс. . «Надежда состоит в том, что загадочные элементы вселенной разрешимы».