Stvaranje kozmičke strukture, kako na velikim tako i na malim, vrlo ovisi o načinu na koji djeluju tamna i normalna tvar. Usprkos neizravnim dokazima za tamnu tvar, voljeli bismo da ga možemo direktno otkriti. To je nešto što se može dogoditi samo ako između normalne i tamne materije postoji poprečni presjek. (ILLUSTRIS SURADNJA / ILULUSTRIS SIMULACIJA)

Zvijezde se zagrijavaju od hladne tamne materije, iako ih se ne može "osjetiti"

Ako tamna tvar nema interakciju s normalnom materijom ili svjetlošću, kako se može zagrijati?

Jedna od velikih kozmičkih misterija našeg vremena je prisutnost i postojanje tamne materije. Za razliku od normalne materije, koja je sastavljena od poznatih čestica koje mogu emitirati, apsorbirati ili na neki drugi način komunicirati sa svjetlošću i ostalim poznatim česticama, tamna tvar jednostavno prolazi kroz sebe i sve ostalo. To je, koliko možemo reći, potpuno nevidljivo, osim jednog učinka: čini se da ima gravitacijsku masu. Utječe na zakrivljenost svemira i drži zajedno galaksije, grozdove galaksija i veliku kozmičku mrežu.

Međutim, kad pokrenemo svoje simulacije, dobivamo vrlo specifična predviđanja za strukture koje bi trebala formirati tamna tvar. Kozmički web se pruža prema gore, ali manje, galaktičke ljestvice, ne postoje. Dugo su smatrali najvećim problemom hladne tamne materije, a znanstvenici su otkrili rješenje: tamne tvari zagrijavaju zvijezde. Evo priče o tome kako se to događa.

Na visokim temperaturama koje su postignute u vrlo mladom Svemiru ne mogu se spontano stvoriti samo čestice i fotoni, s obzirom na dovoljno energije, već i antičestice i nestabilne čestice, što rezultira primordijalnom juhom od čestica i antičestica. Iako se čestice normalne materije i antimaterije mogu sudarati same sa sobom i zračenjem, čestice tamne materije jednostavno bi trebale prolaziti jedna kroz drugu bez međusobnog djelovanja. (BROOKHAVEN NATIONAL LABORATORY)

Zamislite Svemir kakav bi mogao biti u najranijim fazama nakon Velikog praska. Vruće je, gusto i puno materije i zračenja. Samo, umjesto čestica koje možda ekskluzivno mislite - subatomske čestice koje čine atome, na primjer, postoji pet puta više tamne materije. U ta rana vremena, čestice normalne materije razbijaju se jedna u drugu i u fotone, ali tamna tvar prolazi kroz sve, odbijajući se sudariti.

Kao da je tamna tvar propusna za 100%: normalna tvar prolazi kroz nju, antimaterija prolazi kroz nju, fotoni prolaze kroz nju, čak i druge čestice tamne materije prolaze kroz nju. Samo zato što je tamna tvar hladna ili se kreće vrlo sporo u odnosu na brzinu svjetlosti, ona se na kraju može okupiti u gravitacijske grude. S vremenom se postigne upravo to, uvlačeći normalnu materiju u gravitacijske jažice koje je stvorio u ranim vremenima.

Za promatranje najvećih razmjera u Svemiru, od kozmičke mikrovalne pozadine do kozmičkog weba do galaksije u pojedinačne galaksije, svima je potrebna tamna tvar da bi objasnila ono što promatramo. Struktura velikih razmjera zahtijeva to, ali sjeme te strukture, iz pozadine kozmičke mikrovalne, zahtijeva i to. (CHRIS BLAKE AND SAM MOORFIELD)

Ono s čime smo završili je Univerzum naseljen područjima prostora koja sadrži sferne distribucije materije: i normalne i tamne. Vremenom će se normalna tvar sudarati s ostalim česticama normalne materije i lijepiti se, formirajući molekule, oblake plina i oslobađajući zračenje. Normalna materija koja se temelji na atomu potonut će u središte svake takve regije, gdje će obično formirati rotirajući oblik nalik disku: što znamo kao galaksija.

U međuvremenu, tamna materija nije u stanju učiniti bilo šta takvo. Ostaje u velikom, difuznom halu koji okružuje samu galaksiju. To bi trebalo biti neovisno o veličini ili skali galaksije, kao što pokazuju simulacije. Bez obzira na to koliko je sveukupna galaksija masivna, trebao bi postojati oreolo tamne materije koja se proteže u svemir s faktorom deset ili više preko samog diska. To vrijedi za galaksije veličine Mliječnog Puta, veće, pa čak i malene patuljaste galaksije.

Prema modelima i simulacijama, sve galaksije trebale bi biti ugrađene u oreole tamne materije, čija gustina doseže vrh u galaktičkim središtima. Na dovoljno dugim vremenskim razmacima, možda milijardu godina, jedna čestica tamne materije s periferije haloa dovršit će jednu orbitu. Učinci plina, povratne informacije, stvaranje zvijezda, supernove i zračenja kompliciraju ovo okruženje, što čini izuzetno teško izvući univerzalna predviđanja o tamnoj materiji. (NASA, ESA, T. T. BROWN I J. TUMLINSON (STSCI))

Ovo je standardna slika: ona koja je kamen temeljac moderne astrofizike više od 20 godina. No nedavno su promatranja patuljastih galaksija - galaksija između 0,1% i 1% masivnih poput naše vlastite galaksije - pokazali da ta ideja univerzalnog profila tamne materije ne odgovara baš podacima. Posebno, mnoge od tih galaksija pokazuju dokaze da je u samom unutrašnjosti tih galaksija ili u njihovim središnjim jezgrama manje tamne materije nego što ove simulacije predviđaju.

Ako pokrenemo svoje simulacije galaksije samo s tamnom materijom, to ne može biti slučaj. Ali ako uzmemo ono što već znamo:

  • ta tamna materija ne djeluje sama sa sobom niti s normalnom materijom ili zračenjem,
  • da normalna tvar može komunicirati sama sa sobom i sa zračenjem, ali ne tamna materija,
  • i da normalna i tamna tvar mogu komunicirati putem gravitacijske sile,

izgleda da se pojavljuje moguće rješenje.

Samo oko 1000 zvijezda prisutno je u čitavoj patuljastoj galaksiji Segue 1 i Segue 3, koja ima gravitacijsku masu od 600 000 Sunca. Ovdje su kružile zvijezde koje čine patuljasti satelit Segue 1. Ako su nova istraživanja tačna, tamna tvar će se poslužiti drugačijom raspodjelom ovisno o tome kako je formiranje zvijezda tijekom povijesti galaksije zagrijalo. (MARLA GEHA I PREDUZEĆE OPASKE)

Način da razmislite o tome je vizualizirati što se događa s normalnom materijom u centru ove galaksije kada tvore velik broj novih zvijezda. Prisutni plin se smanjuje, stvara nove zvijezde raznih masa i počinje isijavati iz zračenja mladih zvijezda koje su se nedavno formirale tamo.

To su najtoplije, najmasovnije zvijezde koje emitiraju najviše zračenja, a one također emitiraju čestice materije. Ti zvjezdani vjetrovi djeluju na potiskivanje plina i prašine dalje od središta galaksije, dajući joj poticaj kinetičke energije. Sva ta normalna tvar koncentrirala se u jezgri galaksije, a ovaj novi, važan rafal zvijezda stvorio je način da ga odgurne. Centar galaksije sada ima manje materije - to je normalna tvar - nego što je imala prije.

Galaksije koje su podvrgnute masovnim eksplozijama formiranja zvijezda mogu nadmašiti čak i mnogo veće, tipične galaksije. M82, Galaksa cigara, gravitacijski djeluje sa svojim susjedom (nije prikazan na slici), uzrokujući ovaj rafal aktivnih, novih zvijezdanih formacija, koje izbacuju plin iz središnjeg područja. Učinci zvjezdanih vjetrova jasno su vidljivi crvenom bojom. (NASA, ESA i TEHNIČKI NASLJEDNI TIM (STSCI / AURA))

Što je slijedeće?

Pa, razmislite što bi se dogodilo s planetima Sunčevog sustava ako biste uklonili veliku količinu mase sa Sunca. To je ona velika središnja masa koja ih održava u svojim stabilnim, gotovo kružnim orbitama. Kad bi se masa povećala, spirali bi prema unutra; ako se masa smanjila, spirali bi prema van.

Kad galaksije tvore zvijezde, to je kao da središnja regija gubi masu, zbog čega sva materija oko njega osjeća umanjeno gravitacijsko povlačenje. Da, normalna tvar se izbaci zbog zračenja, vjetrova i pritiska. Kad se jednom odmakne od središta, sva prisutna materija - i normalna i tamna - ima manje gravitacijskog povlačenja da zadrži svoje mjesto. Jedino je napredovanje prelazak na višu, manje čvrsto vezanu orbitu.

U bilo kojem orbiterskom sustavu to je vrijednost središnje, unutarnje mase koja održava predmete u stalnoj eliptičnoj orbiti. Ako se masa u središtu smanji, orbite čestica unutar će se spirali prema van, na veće i veće udaljenosti, što dalje utječe na količinu mase u središnjim područjima. (AMANDA SMITH, SVEUČILIŠTE U KAMBRIDU)

Ovaj efekt je poznat kao "zagrijavanje tamne materije". Nije to da se bilo koje zračenje zvijezda ili bilo koja toplina iz normalne materije prebaci u samu tamnu materiju; ne uključuje izravno temperaturu ili prijenos energije.

Umjesto toga, ono što se događa je da dodatna energija koja se daje normalnoj materiji izbacuje je iz mjesta u kojem je prethodno bila koncentrirana: u galaktički centar. Nakon što se ta normalna tvar ukloni iz galaktičkog središta, tamo će se nalaziti manje mase koja drži tamnu tvar i ona se također mora premjestiti na višu, manje čvrsto vezanu orbitu. Zbog toga što se tamna tvar izbacuje i naleti na višu, energičniju orbitu, ima iste efekte kao da je tamnoj materiji dodatni zamah energije. Nije zapravo vruće nego ranije, ali učinci su identični.

Ogromna regija koja tvori zvijezde u patuljastoj galaksiji UGCA 281, kako je Hubble slikao u vidljivom i ultraljubičastom dijelu LEGUS-ovog istraživanja. Plavo svjetlo je svjetlost zvijezde od vrućih, mladih zvijezda koje se odbijaju od pozadine, neutralnog plina, dok najsvjetlije mrlje ukazuju na najveću emisiju UV svjetlosti. Crveni dijelovi su, međutim, dokaz ioniziranog vodikovog plina koji emitira karakterističan crveni sjaj dok se elektroni kombiniraju sa slobodnim protonima. Plin se izbacuje iz ove regije zbog zvjezdanih vjetrova iz najtoplijih mladih zvijezda. (NASA, ESA I LEGUS TEAM)

Tijekom svog životnog vijeka, galaksije svih vrsta doživljavaju više ciklusa plina koji teče u i iz središnjih područja. Kad koncentracije plina dosegnu vrlo visoku razinu, to može pokrenuti stvaranje novih zvijezda; kada koncentracije plina dosegnu nisku razinu, stvaranje novih zvijezda je nemoguće.

Pa što to znači za patuljaste galaksije koje biste zapravo pronašli, ako je ta ideja točna?

To znači da kad bi galaksija imala samo nekoliko malih praska središnjih zvijezdanih formacija, tamna tvar u jezgri ne bi se jako zagrijala. Većina bi i dalje bila prisutna. Očekivali biste relativno visoku vrijednost tamne materije u središtima patuljastih galaksija koje su u svojim centrima imale vrlo malo povijesti formiranja zvijezda.

Patuljasta galaksija NGC 5477 jedna je od mnogih nepravilnih patuljastih galaksija. Plave regije ukazuju na stvaranje novih zvijezda, ali mnoge takve galaksije nisu formirale nove zvijezde u mnogo milijardi godina. Ako je ideja grijanja tamne materije tačna, očekujete da bi se masni profili patuljastih galaksija razlikovali na temelju njihove ukupne povijesti formiranja zvijezda. (ESA / HUBBLE I NASA)

Ali ako je galaksija stvorila velike količine zvijezda u svojoj povijesti, umjesto toga biste očekivali da će plin i tvar u blizini središta galaksije biti u velikoj mjeri protjerani, što gura tamnu materiju na više orbite i mijenja zaključeni profil mase galaksije. Praktično su sve galaksije imale faze pucanja zvijezda tijekom prvih nekoliko milijardi godina, ali najmanje aktivne bile su tihe milijarde godina nakon toga. Drugim riječima, bogata povijest nedavnog formiranja zvijezda trebala bi dovesti do jezgre tamne materije male mase u patuljastim galaksijama, dok bi isključivo drevno stvaranje zvijezda trebalo voditi jezgrama veće mase.

Upravo je to tim koji je predvodio Justin Read otkrio u novom istraživanju objavljenom u siječnju. Prema dr. Readu:

Otkrili smo uistinu izvanredan odnos između količine tamne materije u središtima ovih sitnih patuljaka i količine formiranja zvijezda koju su iskusili tijekom svog života. Tamna materija u središtima patuljaka u obliku zvijezda čini se da se „zagrijala“ i istisnula van.

To je spektakularni slučaj sofisticiranije simulacije koja objašnjava pojavu za koju prethodne simulacije, izražavajući naivne pretpostavke, nisu mogle objasniti.

Formiranje zvijezda u malenim patuljastim galaksijama može polako

Tradicionalno, tamna tvar je objašnjenje pojava koje smo promatrali na velikim kozmičkim mjerilima. Objašnjava fluktuacije u kozmičkoj mikrovalnoj pozadini, strukturu svemira velikih razmjera i ponašanje nakupina i skupina galaksija na način koji nijedna alternativa ne može. Međutim, najmanja galaktička vaga pokazala se problematičnom za simulacije tamne materije, što je mnoge dovelo u pitanje njezinu valjanost.

Ovo novo otkriće fascinantan je slučaj gdje se teorija i promatranje savršeno usklađuju nakon što se provode bolji proračuni. Konačno bi mogao riješiti jedan od najvećih problema tamne materije: objasniti ponašanje najmanjih galaksija u Svemiru. Čak i bez izravnog prijenosa energije, na tamnu tvar utječe gravitacija svega oko nje. Ako se zvjezdana formacija kreće u masi, također će se kretati i tamna tvar. Zvijezde se neizravno zagrijavaju u hladnoj tamnoj materiji. Napokon konačno razumijemo kako.

Starts With A Bang je sada na Forbesu, a objavljen je na Mediumu zahvaljujući našim pristalicama Patreona. Ethan je autor dvije knjige, Beyond The Galaxy i Treknology: The Science of Star Trek od Tricorders do Warp Drive-a.