Uudet simulaatiot osoittavat, että pimeä aine, näkymätön materiaali, joka muodostaa suurimman osan maailmankaikkeuden massasta, voi kokoontua atomeiksi. Nämä "tummat atomit" voivat muuttaa radikaalisti galaksien kehitystä ja tähtien muodostumista, mikä antaa tähtitieteilijöille uuden mahdollisuuden ymmärtää tämä salaperäinen aine.
Pimeä aine muodostaa yli 80 % universumin jokaisen galaksin ja galaksijoukon massasta. Kaikki havainnot osoittavat, että pimeä aine on jonkinlainen uudenlainen hiukkanen, joka ei ole vuorovaikutuksessa tavallisen aineen tai edes valon kanssa. Voimme tunnistaa pimeän aineen vain sen gravitaatiovuorovaikutuksesta kaiken muun kanssa. Mikä tahansa pimeä aine on, se on nykyajan fysiikan ymmärryksemme ulkopuolella. Mutta sillä on silti massaa ja siten painovoimaa.
Emme vielä tiedä, onko pimeä aine yksinkertaista vai monimutkaista. Se voi koostua vain yhdestä hiukkastyypistä, joka hallitsee maailmankaikkeutta ja tuskin on vuorovaikutuksessa edes itsensä kanssa. Tai se voi koostua useista hiukkastyypeistä, joilla on sama rikas valikoima kuin tavallisessa aineessa. Lisäksi tunnemme vain neljä luonnon perusvoimaa: painovoima, sähkömagnetismi, voimakas ydinvuorovaikutus ja heikko ydinvuorovaikutus. Mutta voi olla lisävoimia, jotka vaikuttavat vain pimeän aineen hiukkasten keskuudessa eivätkä vaikuta normaaliin aineeseen ollenkaan.
Pimeän aineen lisähiukkasten ja pimeiden voimien käsite ei ole niin kaukaa haettu kuin miltä se saattaa näyttää. Ymmärryksemme fysiikasta perustuu symmetrioihin, jotka ovat syviä matemaattisia suhteita hiukkasten välillä. On mahdollista, että luonnonlaeissa on lisäsymmetrioita, jotka tekevät pimeästä aineesta normaaliaineen vastineen, ja että jokaiselle vuorovaikutukselle, johon normaali aine voi osallistua, on vastine pimeässä sektorissa.
Esimerkiksi tavallisesta aineesta voidaan rakentaa yksinkertaisia atomeja: protoni ja elektroni, jotka ovat yhteydessä toisiinsa, fotonilla, vuorovaikutusta välittävän sähkömagneettisen voiman kantajalla. Meillä voi olla myös versio samasta pimeän aineen rakenteesta, jossa tumma protoni on sidottu tummiin elektroneihin tummien fotonien avulla: pimeiden atomien.
Atomipimeä aine käyttäytyisi paljon eri tavalla kuin pimeä aine, joka koostuu vain yhdestä hiukkasesta. Mikä tärkeintä, yksinkertaisen pimeän aineen olisi hyvin vaikeaa kasautua yhteen, ja se tapahtuisi hitaasti, satojen miljoonien vuosien aikana. Tavallinen aine kerääntyy näihin sileisiin pimeän aineen möykkyihin muodostaen galakseja, mutta muuten ne elävät erillistä elämää. Atomipimeä aine voi kuitenkin muodostaa omia varjogalaksejaan – kiekkomaisia rakenteita, jotka jäljittelevät näkyvien galaksien kokoa ja sijaintia.
Ryhmä astrofyysikoita käytti tätä kiehtovaa mahdollisuutta mallintaakseen galaksien kehitystä ja nähdäkseen, mitä havaittuja eroja saattaa syntyä. He antoivat atomin pimeän aineen kehittyä omien voimiensa mukaan ja sitten tutkivat, kuinka nämä uudet rakenteet vaikuttaisivat näkyviin galakseihin painovoiman uuden organisaation kautta. He julkaisivat tulokset online-preprint-tietokannassa huhtikuussa arXiv.
Tutkijat havaitsivat, että jopa pieni määrä atomista pimeää ainetta – vain 6 % kaikesta maailmankaikkeuden pimeästä aineesta, loput pois lukien – riittää muuttamaan radikaalisti galaksien kehitystä. Koska atomien pimeä aine kykenee vuorovaikutukseen, se voi helposti tiivistyä ja menettää energiaa jonkin muodon tumman säteilyn lähettämisen kautta. Simulaatiot osoittivat, että "tumma levy" ilmestyy nopeasti jokaisen galaksin sisään, jonka spin on hyvin samanlainen kuin näkyvien, normaalien komponenttien spin.
Sieltä atomin pimeä aine jatkoi tiivistymistä, aivan kuten normaali kaasu tiivistyy pilviksi ja lopulta tähdiksi. Simulaatiossa atomipimeä aine muodosti omia tummia tähtiään ja saattoi jopa aiheuttaa omia mustia aukkoja. Nämä möhkäleet sitten upposivat galaktiseen ytimeen, jossa tiheys kasvoi.
Tämän ylimääräisen painovoiman ansiosta tähtien muodostuminen galaksien ytimissä kiihtyy, jolloin tähdet muodostuvat paljon nopeammin kuin galaksit, joissa on yksinkertaista pimeää ainetta. Nämä simulaatiot sulkivat pois jotkin atomien pimeän aineen mallit, koska ne saivat niiden galakseista loppumaan uudesta tähtiä muodostavasta materiaalista liian nopeasti.
Jotkut mallit ovat kuitenkin selviytyneet nykyisten havaintojen rajoista, mikä mahdollistaa atomipimeän aineen olemassaolon lisämahdollisuuden. Tutkijat toivovat, että teoreettiset ja kokeelliset lisätutkimukset valaisevat tämän eksoottisen aineen kiehtovan muodon uskottavuutta. Esimerkiksi, koska atomin tumma aine tiivistyy niin tehokkaasti, voimme ehkä havaita tiheitä tähtimäisiä ryppyjä tulevilla gravitaatiomikrolinssitutkimuksilla NASAn Nancy Gracen avaruusteleskoopilla Roomassa.
Lue myös: