Tamna tvar, nevidljivi materijal koji čini veliku većinu mase svemira, može se sastaviti u atome, pokazuju nove simulacije. Ovi "tamni atomi" mogu radikalno promijeniti evoluciju galaksija i formiranje zvijezda, dajući astronomima novu priliku da razumiju ovu tajanstvenu tvar.
Tamna tvar čini više od 80% mase svake galaksije i jata galaksija u svemiru. Sva naša opažanja pokazuju da je tamna tvar neka nova vrsta čestica koje ne stupaju u interakciju s običnom materijom pa čak ni sa svjetlom. Tamnu tvar možemo identificirati samo kroz njezinu gravitacijsku interakciju sa svim ostalim. Što god tamna tvar bila, ona je izvan našeg modernog razumijevanja fizike. Ali još uvijek ima masu, a time i gravitaciju.
Još ne znamo je li tamna tvar jednostavna ili složena. Može se sastojati od samo jedne vrste čestica koje dominiraju svemirom i jedva dolaze u interakciju čak i same sa sobom. Ili se može sastojati od nekoliko vrsta čestica, s istom bogatom raznolikošću koju vidimo u običnoj materiji. Nadalje, poznajemo samo četiri temeljne sile prirode: gravitaciju, elektromagnetizam, jaku nuklearnu interakciju i slabu nuklearnu interakciju. Ali mogu postojati dodatne sile koje djeluju samo među česticama tamne tvari i uopće ne utječu na normalnu materiju.
Koncept dodatnih čestica tamne tvari i mračnih sila nije tako nategnut kao što se čini. Naše razumijevanje fizike izgrađeno je na simetrijama, koje su duboki matematički odnosi između čestica. Moguće je da postoje dodatne simetrije u zakonima prirode koje čine tamnu tvar pandan normalnoj materiji, i da za svaku vrstu interakcije u koju normalna materija može sudjelovati, postoji pandan u tamnom sektoru.
Na primjer, od obične materije možemo izgraditi jednostavne atome: proton i elektron, međusobno povezane, s fotonom, nositeljem elektromagnetske sile, koji posreduje međudjelovanje. Također možemo imati verziju iste strukture tamne tvari, s tamnim protonom vezanim za tamne elektrone tamnim fotonima: tamnim atomima.
Atomska tamna tvar ponašala bi se puno drugačije od tamne tvari koja se sastoji od samo jedne čestice. Što je najvažnije, jednostavnoj tamnoj tvari bilo bi vrlo teško skupiti se zajedno, i to bi činilo polako, tijekom stotina milijuna godina. Obična materija skuplja se u ovim glatkim nakupinama tamne tvari kako bi formirala galaksije, ali one inače vode odvojene živote. Atomska tamna tvar, međutim, može formirati vlastite galaksije u sjeni – strukture nalik na diskove koje oponašaju veličinu i položaj vidljivih galaksija.
Tim astrofizičara iskoristio je ovu intrigantnu mogućnost za modeliranje evolucije galaksija i vidio koje bi uočene razlike mogle nastati. Dopustili su atomskoj tamnoj tvari da se razvija prema vlastitim silama, a zatim su istražili kako će te nove strukture utjecati na vidljive galaksije kroz novu organizaciju gravitacije. Objavili su svoje rezultate u online bazi podataka za pretisak u travnju arXiv.
Istraživači su otkrili da je čak i mala količina atomske tamne tvari – samo 6% sve tamne tvari u svemiru, ne uključujući ostatak – dovoljna da radikalno promijeni evoluciju galaksija. Budući da je atomska tamna tvar sposobna za interakciju, može se lako kondenzirati, gubeći energiju kroz emisiju nekog oblika tamnog zračenja. Simulacije su pokazale da se "tamni disk" brzo pojavljuje unutar svake galaksije, čija vrtnja vrlo odgovara vrtnji vidljivih, normalnih komponenti.
Odatle se atomska tamna tvar nastavila kondenzirati, baš kao što se normalni plin kondenzira u oblake i na kraju u zvijezde. U simulaciji je atomska tamna tvar formirala vlastite tamne zvijezde i čak mogla uzrokovati stvaranje vlastitih crnih rupa. Te su nakupine zatim potonule u galaktičku jezgru, gdje se gustoća povećala.
Zbog ove dodatne gravitacije, formiranje zvijezda u jezgrama galaksija je ubrzano, stvarajući zvijezde puno brže od galaksija s jednostavnom tamnom tvari. Ove su simulacije zapravo isključile neke modele atomske tamne tvari jer su ti modeli uzrokovali da njihove galaksije prebrzo ostanu bez novog materijala za stvaranje zvijezda.
Ali neki su modeli preživjeli trenutna ograničenja promatranja, dopuštajući daljnju mogućnost postojanja atomske tamne tvari. Istraživači se nadaju da će daljnje teorijske i eksperimentalne studije rasvijetliti vjerodostojnost ovog intrigantnog oblika egzotične materije. Na primjer, budući da se atomska tamna tvar tako učinkovito kondenzira, možda ćemo moći otkriti guste nakupine poput zvijezda s budućim studijama gravitacijskih mikroleća pomoću NASA-inog svemirskog teleskopa Nancy Grace u Rimu.
Pročitajte također: