Mørk materie, det usynlige materialet som utgjør det store flertallet av universets masse, kan settes sammen til atomer, viser nye simuleringer. Disse "mørke atomene" kan radikalt endre utviklingen av galakser og dannelsen av stjerner, og gi astronomene en ny mulighet til å forstå dette mystiske stoffet.
Mørk materie utgjør mer enn 80 % av massen til hver galakse og galaksehop i universet. Alle våre observasjoner indikerer at mørk materie er en ny type partikkel som ikke samhandler med vanlig materie eller til og med med lys. Vi kan bare identifisere mørk materie gjennom dens gravitasjonsinteraksjon med alt annet. Uansett hva mørk materie er, er det utenfor vår moderne forståelse av fysikk. Men den har fortsatt masse, og derfor gravitasjon.
Vi vet ennå ikke om mørk materie er enkel eller kompleks. Den kan bestå av bare én type partikkel som dominerer universet og knapt samhandler med seg selv. Eller den kan bestå av flere typer partikler, med samme rike variasjon som vi ser i vanlig materie. Videre kjenner vi bare fire grunnleggende naturkrefter: tyngdekraft, elektromagnetisme, den sterke kjernevekselvirkningen og den svake atomvekselvirkningen. Men det kan være ytterligere krefter som bare virker blant mørk materiepartikler og ikke påvirker normal materie i det hele tatt.
Konseptet med ekstra mørk materie partikler og mørke krefter er ikke så langsøkt som det kan virke. Vår forståelse av fysikk er bygget på symmetrier, som er dype matematiske forhold mellom partikler. Det er mulig at det er ytterligere symmetrier i naturlovene som gjør mørk materie til et motstykke til normal materie, og at for enhver form for interaksjon som normal materie kan delta i, er det en motpart i den mørke sektoren.
For eksempel kan vi av vanlig materie bygge enkle atomer: et proton og et elektron, koblet til hverandre, med et foton, bæreren av den elektromagnetiske kraften, som medierer interaksjonen. Vi kan også ha en versjon av samme mørk materiestruktur, med et mørkt proton bundet til mørke elektroner av mørke fotoner: mørke atomer.
Atomisk mørk materie ville oppføre seg mye annerledes enn mørk materie som bare består av én partikkel. Det viktigste er at det ville være veldig vanskelig for enkel mørk materie å klumpe seg sammen, og det ville gjøre det sakte, over hundrevis av millioner av år. Vanlig materie samler seg i disse glatte klumpene av mørk materie for å danne galakser, men de lever ellers separate liv. Atomisk mørk materie kan imidlertid danne sine egne skyggegalakser - skivelignende strukturer som etterligner størrelsen og plasseringen til synlige galakser.
Et team av astrofysikere brukte denne spennende muligheten til å modellere utviklingen av galakser og se hvilke observerte forskjeller som kan oppstå. De lot atomær mørk materie utvikle seg i henhold til sine egne krefter og undersøkte deretter hvordan disse nye strukturene ville påvirke synlige galakser gjennom den nye organiseringen av tyngdekraften. De publiserte resultatene sine i en online preprint-database i april arXiv.
Forskerne fant at selv en liten mengde mørk materie – bare 6 % av all mørk materie i universet, ikke inkludert resten – er nok til å radikalt endre utviklingen av galakser. Fordi atomær mørk materie er i stand til å samhandle, kan den lett kondensere og miste energi gjennom utslipp av en eller annen form for mørk stråling. Simuleringer viste at en "mørk disk" raskt dukker opp inne i hver galakse, hvis spinn stemmer godt med spinnet til de synlige, normale komponentene.
Derfra fortsatte atomær mørk materie å kondensere, akkurat som vanlig gass kondenserer til skyer og til slutt stjerner. I simuleringen dannet atomær mørk materie sine egne mørke stjerner og kunne til og med få sine egne sorte hull til å dannes. Disse klumpene sank deretter ned i den galaktiske kjernen, hvor tettheten økte.
På grunn av denne ekstra tyngdekraften akselereres stjernedannelsen i kjernene til galakser, og danner stjerner mye raskere enn galakser med enkel mørk materie. Disse simuleringene utelukket faktisk noen modeller av atomær mørk materie fordi disse modellene førte til at galaksene deres gikk tom for nytt stjernedannende materiale for raskt.
Men noen modeller har overlevd de nåværende grensene for observasjoner, noe som gir mulighet for ytterligere mulighet for eksistensen av atomær mørk materie. Forskerne håper at ytterligere teoretiske og eksperimentelle studier vil kaste lys over plausibiliteten til denne spennende formen for eksotisk materie. For eksempel, fordi atomær mørk materie kondenserer så effektivt, kan vi være i stand til å oppdage tette stjernelignende klumper med fremtidige gravitasjonsmikrolinsestudier ved å bruke NASAs Nancy Grace Space Telescope i Roma.
Les også: