Az új szimulációk szerint a sötét anyag, a láthatatlan anyag, amely az univerzum tömegének túlnyomó részét alkotja, atomokká állhat össze. Ezek a "sötét atomok" gyökeresen megváltoztathatják a galaxisok fejlődését és a csillagok kialakulását, új lehetőséget adva a csillagászoknak, hogy megértsék ezt a titokzatos anyagot.
A sötét anyag a világegyetem összes galaxisa és galaxishalmaza tömegének több mint 80%-át teszi ki. Minden megfigyelésünk azt mutatja, hogy a sötét anyag egy újfajta részecske, amely nem lép kölcsönhatásba a közönséges anyaggal vagy még a fénnyel sem. A sötét anyagot csak a gravitációs kölcsönhatása révén tudjuk azonosítani minden mással. Bármi legyen is a sötét anyag, az meghaladja a fizika modern felfogását. De még mindig van tömege, és ezért gravitációja.
Még nem tudjuk, hogy a sötét anyag egyszerű vagy összetett. Csak egyfajta részecskéből állhat, amely uralja az univerzumot, és még önmagával is alig lép kölcsönhatásba. Vagy állhat többféle részecskéből, ugyanolyan gazdag változatban, mint a közönséges anyagokban. Ezenkívül a természetnek csak négy alapvető erőjét ismerjük: a gravitációt, az elektromágnesességet, az erős magkölcsönhatást és a gyenge nukleáris kölcsönhatást. De lehetnek olyan további erők, amelyek csak a sötét anyag részecskéi között hatnak, és egyáltalán nem hatnak a normál anyagra.
A további sötét anyag részecskék és sötét erők fogalma nem olyan távoli, mint amilyennek látszik. A fizika megértése a szimmetriákra épül, amelyek a részecskék közötti mély matematikai kapcsolatok. Lehetséges, hogy vannak további szimmetriák a természet törvényeiben, amelyek a sötét anyagot a normál anyag megfelelőjévé teszik, és minden olyan kölcsönhatáshoz, amelyben a normál anyag részt vehet, van egy megfelelője a sötét szektorban.
Például közönséges anyagból egyszerű atomokat építhetünk: egy protont és egy elektront, amelyek egymással kapcsolatban állnak, a kölcsönhatást közvetítő elektromágneses erő hordozójával, fotonnal. Ugyanannak a sötét anyag szerkezetnek egy változata is lehet, ahol egy sötét protont a sötét elektronokhoz sötét fotonok kötnek: sötét atomok.
Az atomi sötét anyag sokkal másképp viselkedne, mint az egyetlen részecskéből álló sötét anyag. A legfontosabb, hogy az egyszerű sötét anyagnak nagyon nehéz lenne összetapadnia, és ez lassan, több száz millió év alatt megtenné. A közönséges anyagok ezekben a sötét anyag sima csomóiban összegyűlnek, és galaxisokat alkotnak, de különben külön életet élnek. Az atomi sötét anyag azonban kialakíthatja saját árnyékgalaxisait – korongszerű struktúrákat, amelyek utánozzák a látható galaxisok méretét és elhelyezkedését.
Asztrofizikusok egy csoportja ezt az érdekes lehetőséget használta a galaxisok evolúciójának modellezésére, és megvizsgálta, milyen eltérések merülhetnek fel. Hagyták, hogy az atomi sötét anyag saját erői szerint fejlődjön, majd azt vizsgálták, hogy ezek az új struktúrák hogyan hatnak a látható galaxisokra a gravitáció új szerveződésén keresztül. Eredményeiket egy online preprint adatbázisban tették közzé áprilisban arXiv.
A kutatók azt találták, hogy még kis mennyiségű atomi sötét anyag is – az univerzum összes sötét anyagának mindössze 6%-a, a többit nem számítva – elegendő ahhoz, hogy gyökeresen megváltozzon a galaxisok evolúciója. Mivel az atomi sötét anyag képes kölcsönhatásra, könnyen lecsapódhat, és energiát veszít valamilyen sötét sugárzás kibocsátása révén. A szimulációk azt mutatták, hogy minden galaxisban gyorsan megjelenik egy "sötét korong", amelynek spinje szorosan megegyezik a látható, normál komponensek spinével.
Innentől kezdve az atomi sötét anyag tovább kondenzálódott, ahogy a normál gáz felhőkké és végül csillagokká kondenzálódik. A szimuláció során az atomi sötét anyag létrehozta saját sötét csillagait, és akár saját fekete lyukakat is okozhat. Ezek a csomók aztán a galaktikus magba süllyedtek, ahol a sűrűség megnőtt.
Ennek az extra gravitációnak köszönhetően felgyorsul a csillagkeletkezés a galaxismagokban, és sokkal gyorsabban képződnek csillagok, mint az egyszerű sötét anyaggal rendelkező galaxisok. Ezek a szimulációk valójában kizárták az atomi sötét anyag egyes modelljeit, mivel ezek a modellek miatt a galaxisaikból túl gyorsan kifogytak az új csillagképző anyagok.
Néhány modell azonban túlélte a megfigyelések jelenlegi korlátait, lehetővé téve az atomi sötét anyag létezésének további lehetőségét. A kutatók azt remélik, hogy további elméleti és kísérleti tanulmányok fényt derítenek az egzotikus anyagok eme érdekes formájának valószerűségére. Például, mivel az atomi sötét anyag olyan hatékonyan kondenzál, a NASA római Nancy Grace űrteleszkópja segítségével a jövőbeni gravitációs mikrolencsés vizsgálatokkal képesek leszünk sűrű csillagszerű csomókat észlelni.
Olvassa el még: