Mörk materia är det passande namnet osynliga materialet som utgör huvuddelen av materia i vårt universum. Men vad mörk materia är gjord av är en fråga om debatt.

Forskare har aldrig direkt upptäckt mörk materia. Men under decennier, de har föreslagit en mängd olika teorier om vilken typ av material – från nya partiklar till ursprungliga svarta hål – som skulle kunna omfatta mörk materia och förklara dess många effekter på normal materia. I en artikel publicerad 20 juli i tidskriften Fysiska granskningsbrev , ett internationellt team av kosmologer använder data från det intergalaktiska mediet – det stora, i stort sett tomt utrymme mellan galaxer – för att begränsa vad mörk materia kan vara.

Teamets resultat kastar tvivel på en relativt ny teori som kallas "fuzzy dark matter, " och istället ge tilltro till en annan modell som kallas "kall mörk materia." Deras resultat kan informera om pågående ansträngningar att upptäcka mörk materia direkt, särskilt om forskarna har en klar uppfattning om vilken typ av egenskaper de bör söka.

"I årtionden, teoretiska fysiker har försökt förstå egenskaperna hos de partiklar och krafter som måste utgöra mörk materia, " sa huvudförfattaren Vid Iršič, en postdoktor vid institutionen för astronomi vid University of Washington. "Vad vi har gjort är att sätta begränsningar för vad mörk materia kan vara - och "fuzzy mörk materia, om det skulle utgöra all mörk materia, inte överensstämmer med våra uppgifter."

Forskare hade utarbetat teorierna om både "fuzzy" och "kall" mörk materia för att förklara effekterna som mörk materia verkar ha på galaxer och det intergalaktiska mediet mellan dem.

Kall mörk materia är den äldre av dessa två teorier, går tillbaka till 1980-talet, och är för närvarande standardmodellen för mörk materia. Den hävdar att mörk materia består av en relativt massiv, långsamt rörlig typ av partikel med "svagt interagerande" egenskaper. Det hjälper till att förklara det unika, universums storskaliga struktur, till exempel varför galaxer tenderar att samlas i större grupper.

Men teorin om kall mörk materia har också vissa nackdelar och inkonsekvenser. Till exempel, den förutspår att vår egen Vintergatans galax borde ha hundratals satellitgalaxer i närheten. Istället, vi har bara några dussin små, nära grannar.

Den nyare teorin om suddig mörk materia tog upp bristerna i modellen med kall mörk materia. Enligt denna teori, mörk materia består av en ultralätt partikel, snarare än en tung, och har också en unik egenskap relaterad till kvantmekanik. För många av de fundamentala partiklarna i vårt universum, deras storskaliga rörelser - färdsträcka på meter, miles och bortom — kan förklaras med hjälp av principerna för "klassisk" newtonsk fysik. Förklara småskaliga rörelser, som på subatomär nivå, kräver kvantmekanikens komplexa och ofta motsägelsefulla principer. Men för den ultralätta partikeln som förutspåddes i teorin om suddig mörk materia, rörelser i otroligt stor skala – som från ena änden av en galax till den andra – kräver också kvantmekanik.

Med dessa två teorier om mörk materia i åtanke, Iršič och hans kollegor tänkte modellera de hypotetiska egenskaperna hos mörk materia baserat på relativt nya observationer av det intergalaktiska mediet, eller IGM. IGM består till stor del av mörk materia - vad det nu kan vara - tillsammans med vätgas och en liten mängd helium. Vätet i IGM absorberar ljus som sänds ut från avlägsna, ljusa föremål, och astronomer har studerat denna absorption i årtionden med hjälp av jordbaserade instrument.

Teamet tittade på hur IGM interagerade med ljus som sänds ut av kvasarer, som är avlägsna, massiv, stjärnliknande föremål. En uppsättning data kom från en undersökning av 100 kvasarer av European Southern Observatory i Chile. Teamet inkluderade också observationer av 25 kvasarer av Las Campanas-observatoriet i Chile och W.M. Keck Observatory på Hawaii.

Med hjälp av en superdator vid University of Cambridge, Iršič och medförfattare simulerade IGM - och beräknade vilken typ av mörk materia partikel som skulle stämma överens med kvasardata. De upptäckte att en typisk partikel som förutspås av teorin om suddig mörk materia helt enkelt är för lätt för att ta hänsyn till väteabsorptionsmönstren i IGM. En tyngre partikel - liknande förutsägelser från den traditionella teorin om kall mörk materia - är mer förenlig med deras simuleringar.

"Massan av denna partikel måste vara större än vad folk ursprungligen hade förväntat sig, baserat på suddig mörk materia-lösningar för problem kring vår galax och andra, " sa Iršič.

En ultralätt "fuzzy" partikel kan fortfarande existera. Men det kan inte förklara varför galaktiska hopar bildas, eller andra frågor som bristen på satellitgalaxer runt Vintergatan, sa Iršič. En tyngre "kall" partikel förblir i överensstämmelse med de astronomiska observationerna och simuleringarna av IGM, han lade till.

Teamets resultat tar inte upp alla de långvariga nackdelarna med modellen med kall mörk materia. Men Iršič tror att ytterligare brytning av data från IGM kan hjälpa till att lösa den eller de typer av partiklar som utgör mörk materia. Dessutom, vissa forskare tror att det inte finns några problem med teorin om kall mörk materia. Istället, forskare kanske helt enkelt inte förstår de komplexa krafterna som verkar i IGM, Iršič lade till.

"Hur som helst, IGM förblir en rik grund för att förstå mörk materia, " sa Iršič.

Medförfattare på uppsatsen är Matteo Viel från International School for Advanced Studies i Italien, det astronomiska observatoriet i Trieste och det nationella institutet för kärnfysik i Italien; Martin Haehnelt från University of Cambridge; James Bolton från University of Nottingham; och George Becker från University of California, Riverside. Arbetet finansierades av National Science Foundation, det nationella institutet för kärnfysik i Italien, Europeiska forskningsrådet, det nationella institutet för astrofysik i Italien, Royal Society i Storbritannien och Kavli Foundation.