Mørkt stof, det usynlige materiale, der udgør langt størstedelen af universets masse, kan samles til atomer, viser nye simuleringer. Disse "mørke atomer" kan radikalt ændre galaksernes udvikling og dannelsen af stjerner, hvilket giver astronomerne en ny mulighed for at forstå dette mystiske stof.
Mørkt stof udgør mere end 80 % af massen af hver galakse og galaksehob i universet. Alle vores observationer indikerer, at mørkt stof er en ny slags partikel, der ikke interagerer med almindeligt stof eller endda med lys. Vi kan kun identificere mørkt stof gennem dets gravitationsinteraktion med alt andet. Uanset hvad mørkt stof er, er det hinsides vores moderne forståelse af fysik. Men den har stadig masse, og derfor tyngdekraft.
Vi ved endnu ikke, om mørkt stof er simpelt eller komplekst. Den kan kun bestå af én type partikel, der dominerer universet og næsten ikke interagerer selv med sig selv. Eller det kan bestå af flere typer partikler, med den samme rige variation, som vi ser i almindeligt stof. Desuden kender vi kun fire grundlæggende naturkræfter: tyngdekraft, elektromagnetisme, den stærke kerneinteraktion og den svage kerneinteraktion. Men der kan være yderligere kræfter, som kun virker blandt mørkt stof partikler og slet ikke påvirker normalt stof.
Konceptet med yderligere mørkt stof partikler og mørke kræfter er ikke så langt ude, som det kan synes. Vores forståelse af fysik er bygget på symmetrier, som er dybe matematiske forhold mellem partikler. Det er muligt, at der er yderligere symmetrier i naturlovene, der gør mørkt stof til et modstykke til normalt stof, og at der for enhver form for interaktion, som normalt stof kan indgå i, er et modstykke i den mørke sektor.
For eksempel kan vi af almindeligt stof bygge simple atomer: en proton og en elektron, forbundet med hinanden, med en foton, bæreren af den elektromagnetiske kraft, som medierer interaktionen. Vi kan også have en version af den samme mørke stofstruktur, med en mørk proton bundet til mørke elektroner af mørke fotoner: mørke atomer.
Atomisk mørkt stof ville opføre sig meget anderledes end mørkt stof, der kun består af én partikel. Vigtigst af alt ville det være meget svært for simpelt mørkt stof at klumpe sig sammen, og det ville gøre det langsomt over hundreder af millioner af år. Almindelig stof samler sig i disse glatte klumper af mørkt stof for at danne galakser, men de fører ellers separate liv. Atomisk mørkt stof kan imidlertid danne sine egne skyggegalakser - skivelignende strukturer, der efterligner størrelsen og placeringen af synlige galakser.
Et hold af astrofysikere brugte denne spændende mulighed til at modellere galaksernes udvikling og se, hvilke observerede forskelle der kunne opstå. De tillod atomisk mørkt stof at udvikle sig i overensstemmelse med dets egne kræfter og undersøgte derefter, hvordan disse nye strukturer ville påvirke synlige galakser gennem den nye organisering af tyngdekraften. De offentliggjorde deres resultater i en online preprint-database i april arXiv.
Forskerne fandt ud af, at selv en lille mængde atomært mørkt stof – kun 6 % af alt mørkt stof i universet, ikke inklusive resten – er nok til radikalt at ændre galaksernes udvikling. Fordi atomært mørkt stof er i stand til at interagere, kan det let kondensere og miste energi gennem udsendelse af en form for mørk stråling. Simuleringer viste, at en "mørk disk" hurtigt dukker op inde i hver galakse, hvis spin nøje matcher spindet af de synlige, normale komponenter.
Derfra fortsatte atomart mørkt stof med at kondensere, ligesom normal gas kondenserer til skyer og til sidst stjerner. I simuleringen dannede atomært mørkt stof sine egne mørke stjerner og kunne endda få sine egne sorte huller til at dannes. Disse klumper sank derefter ned i den galaktiske kerne, hvor tætheden steg.
På grund af denne ekstra tyngdekraft accelereres stjernedannelsen i galaksernes kerner og danner stjerner meget hurtigere end galakser med simpelt mørkt stof. Disse simuleringer udelukkede faktisk nogle modeller af atomisk mørkt stof, fordi disse modeller fik deres galakser til at løbe tør for nyt stjernedannende materiale for hurtigt.
Men nogle modeller har overlevet de nuværende grænser for observationer, hvilket giver mulighed for yderligere mulighed for eksistensen af atomært mørkt stof. Forskerne håber, at yderligere teoretiske og eksperimentelle undersøgelser vil kaste lys over plausibiliteten af denne spændende form for eksotisk stof. For eksempel, fordi atomært mørkt stof kondenserer så effektivt, kan vi muligvis opdage tætte stjernelignende klumper med fremtidige gravitationsmikrolinseundersøgelser ved hjælp af NASAs Nancy Grace-rumteleskop i Rom.
Læs også: