สสารมืด วัสดุที่มองไม่เห็นซึ่งเป็นมวลส่วนใหญ่ของเอกภพ สามารถรวมตัวกันเป็นอะตอมได้ การจำลองใหม่แสดงให้เห็น "อะตอมมืด" เหล่านี้สามารถเปลี่ยนแปลงวิวัฒนาการของดาราจักรและการก่อตัวของดาวฤกษ์ได้อย่างสิ้นเชิง ทำให้นักดาราศาสตร์มีโอกาสใหม่ในการทำความเข้าใจสสารลึกลับนี้
สสารมืดมีมวลมากกว่า 80% ของมวลดาราจักรและกระจุกดาราจักรทุกแห่งในเอกภพ การสังเกตทั้งหมดของเราบ่งชี้ว่าสสารมืดเป็นอนุภาคชนิดใหม่ที่ไม่มีปฏิกิริยากับสสารธรรมดาหรือแม้แต่กับแสง เราสามารถระบุสสารมืดได้ผ่านปฏิสัมพันธ์ระหว่างแรงโน้มถ่วงกับสิ่งอื่นเท่านั้น ไม่ว่าสสารมืดจะเป็นอะไรก็ตาม มันอยู่เหนือความเข้าใจทางฟิสิกส์สมัยใหม่ของเรา แต่ก็ยังมีมวลและแรงโน้มถ่วง
เรายังไม่รู้ว่าสสารมืดนั้นเรียบง่ายหรือซับซ้อน มันสามารถประกอบด้วยอนุภาคเพียงประเภทเดียวที่ครองจักรวาลและแทบไม่มีปฏิสัมพันธ์กับตัวมันเอง หรืออาจประกอบด้วยอนุภาคหลายประเภท ซึ่งมีความหลากหลายแบบเดียวกับที่เราเห็นในสสารทั่วไป นอกจากนี้ เรารู้เพียงแรงพื้นฐานสี่ประการของธรรมชาติ: แรงโน้มถ่วง แม่เหล็กไฟฟ้า อันตรกิริยานิวเคลียร์อย่างเข้ม และอันตรกิริยานิวเคลียร์อย่างอ่อน แต่อาจมีแรงเพิ่มเติมที่กระทำระหว่างอนุภาคสสารมืดเท่านั้นและไม่ส่งผลกระทบต่อสสารปกติเลย
แนวคิดเกี่ยวกับอนุภาคของสสารมืดเพิ่มเติมและพลังมืดไม่ใช่เรื่องไกลตัวอย่างที่คิด ความเข้าใจเกี่ยวกับฟิสิกส์ของเราสร้างขึ้นจากความสมมาตร ซึ่งเป็นความสัมพันธ์เชิงลึกทางคณิตศาสตร์ระหว่างอนุภาค เป็นไปได้ว่ามีความสมมาตรเพิ่มเติมในกฎของธรรมชาติที่ทำให้สสารมืดอยู่คู่กับสสารปกติ และสำหรับปฏิสัมพันธ์ทุกประเภทที่สสารปกติสามารถมีส่วนร่วมได้ จะมีส่วนที่เหมือนกันในภาคมืด
ตัวอย่างเช่น จากสสารธรรมดา เราสามารถสร้างอะตอมอย่างง่ายได้: โปรตอนและอิเล็กตรอนซึ่งเชื่อมต่อกันโดยมีโฟตอนซึ่งเป็นพาหะของแรงแม่เหล็กไฟฟ้าซึ่งทำหน้าที่ไกล่เกลี่ย เรายังสามารถมีโครงสร้างสสารมืดรุ่นเดียวกันได้ด้วยโปรตอนที่มืดจับกับอิเล็กตรอนสีเข้มโดยโฟตอนมืด: อะตอมมืด
สสารมืดระดับปรมาณูจะมีพฤติกรรมแตกต่างไปจากสสารมืดที่ประกอบด้วยอนุภาคเพียงอนุภาคเดียว สิ่งสำคัญที่สุดคือ เป็นเรื่องยากมากที่สสารมืดทั่วไปจะเกาะกลุ่มกันเป็นก้อน และจะค่อยๆ เกิดขึ้นอย่างช้าๆ เป็นเวลาหลายร้อยล้านปี สสารธรรมดารวมตัวกันในกลุ่มสสารมืดที่ราบเรียบเหล่านี้เพื่อก่อตัวเป็นกาแลคซี แต่พวกมันกลับมีชีวิตที่แยกจากกัน อย่างไรก็ตาม สสารมืดระดับปรมาณูสามารถก่อตัวกาแลคซีเงาของมันเอง ซึ่งเป็นโครงสร้างคล้ายดิสก์ที่เลียนแบบขนาดและตำแหน่งของกาแลคซีที่มองเห็นได้
ทีมนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ใช้ความเป็นไปได้ที่น่าสนใจนี้ในการสร้างแบบจำลองวิวัฒนาการของกาแลคซีและดูว่าอาจเกิดความแตกต่างจากการสังเกตได้อย่างไร พวกเขาปล่อยให้สสารมืดระดับปรมาณูวิวัฒนาการตามแรงดึงดูดของมันเอง จากนั้นจึงศึกษาว่าโครงสร้างใหม่เหล่านี้จะส่งผลกระทบต่อกาแลคซีที่มองเห็นได้อย่างไรผ่านทางการจัดระเบียบแรงโน้มถ่วงใหม่ พวกเขาเผยแพร่ผลงานของพวกเขาในฐานข้อมูล preprint ออนไลน์ในเดือนเมษายน arXiv.
นักวิจัยพบว่าสสารมืดระดับอะตอมแม้เพียงเล็กน้อย – เพียง 6% ของสสารมืดทั้งหมดในเอกภพ ไม่รวมส่วนที่เหลือ – ก็เพียงพอที่จะเปลี่ยนแปลงวิวัฒนาการของดาราจักรได้อย่างรุนแรง เนื่องจากสสารมืดระดับปรมาณูสามารถโต้ตอบได้ จึงเกิดการควบแน่นได้ง่าย สูญเสียพลังงานผ่านการแผ่รังสีมืดบางรูปแบบ การจำลองแสดงให้เห็นว่า "ดิสก์มืด" ปรากฏขึ้นภายในดาราจักรแต่ละแห่งอย่างรวดเร็ว ซึ่งการหมุนของการหมุนนั้นใกล้เคียงกับการหมุนของส่วนประกอบปกติที่มองเห็นได้
จากนั้นสสารมืดปรมาณูยังคงควบแน่น เช่นเดียวกับก๊าซทั่วไปที่ควบแน่นเป็นเมฆและในที่สุดก็กลายเป็นดาวฤกษ์ ในการจำลอง สสารมืดระดับปรมาณูก่อตัวเป็นดาวมืดในตัวเองและอาจทำให้หลุมดำก่อตัวขึ้นได้ จากนั้นกลุ่มก้อนเหล่านี้ก็จมลงสู่แกนกลางของกาแล็กซีซึ่งมีความหนาแน่นเพิ่มขึ้น
เนื่องจากแรงโน้มถ่วงที่เพิ่มขึ้นนี้ การก่อตัวของดาวฤกษ์ในแกนกลางของดาราจักรจึงถูกเร่งขึ้น ก่อตัวดาวฤกษ์ได้เร็วกว่าดาราจักรที่มีสสารมืดธรรมดามาก การจำลองเหล่านี้ตัดแบบจำลองของสสารมืดของอะตอมบางแบบจำลองออกไป เนื่องจากแบบจำลองเหล่านั้นทำให้กาแลคซีของพวกมันหมดวัสดุก่อตัวดาวใหม่เร็วเกินไป
แต่แบบจำลองบางรุ่นสามารถรอดพ้นขีดจำกัดของการสังเกตการณ์ในปัจจุบันได้ ทำให้มีความเป็นไปได้เพิ่มเติมในการมีอยู่ของสสารมืดระดับปรมาณู นักวิจัยหวังว่าการศึกษาเชิงทฤษฎีและการทดลองเพิ่มเติมจะทำให้เห็นถึงความเป็นไปได้ของสสารแปลกใหม่ที่น่าสนใจนี้ ตัวอย่างเช่น เนื่องจากสสารมืดของอะตอมควบแน่นอย่างมีประสิทธิภาพ เราอาจสามารถตรวจจับกระจุกคล้ายดาวที่หนาแน่นด้วยการศึกษาไมโครเลนส์โน้มถ่วงในอนาคตโดยใช้กล้องโทรทรรศน์อวกาศ Nancy Grace ของ NASA ในกรุงโรม
อ่าน: