Astronomer har använt data från NASA:s Chandra X-ray Observatory för att studera egenskaperna hos mörk materia, det mystiska, osynligt ämne som utgör en majoritet av materia i universum. Studien, som involverar 13 galaxhopar, utforskar möjligheten att mörk materia kan vara mer "luddrig" än "kall, " kanske till och med bidrar till komplexiteten kring denna kosmiska gåta.

I flera decennier, astronomer har känt till mörk materia. Även om det inte kan observeras direkt, mörk materia interagerar via gravitationen med normal, utstrålar materia (det vill säga allt som består av protoner, neutroner, och elektroner buntade till atomer). Utnyttja denna interaktion, astronomer har studerat effekterna av mörk materia med hjälp av en mängd olika tekniker, inklusive observationer av stjärnors rörelse i galaxer, rörelsen av galaxer i galaxhopar, och fördelningen av röntgenstrålning av het gas i galaxhopar. Mörk materia har också lämnat ett avtryck på den strålning som blev över från Big Bang för 13,8 miljarder år sedan.

Dock, astronomer har kämpat i årtionden för att förstå de detaljerade egenskaperna hos mörk materia. Med andra ord, de skulle vilja veta hur mörk materia beter sig i alla miljöer, och, i sista hand, vad den är gjord av.

Den mest populära modellen antar att mörk materia är en partikel som är mer massiv än en proton som är "kall". vilket innebär att den rör sig med hastigheter mycket mindre än ljusets hastighet. Denna modell har lyckats förklara universums struktur i mycket stor skala, mycket större än galaxer, men den har problem med att förklara hur materia är fördelad på galaxernas mindre skalor.

Till exempel, modellen för kall mörk materia förutspår att densiteten av mörk materia i galaxernas centrum är mycket högre än i omgivande områden nära centrum. Eftersom normal materia attraheras av mörk materia, den bör också ha en stark topp i densitet i mitten av galaxer. Dock, astronomer observerar att tätheten hos både mörk och normal materia i galaxernas centrum är mycket jämnare utspridd. Ett annat problem med modellen med kall mörk materia är att den förutspår ett mycket högre antal små galaxer som kretsar runt galaxer som Vintergatan än vad astronomer faktiskt ser.

För att ta itu med dessa problem med modellen med kall mörk materia, astronomer har kommit på alternativa modeller där mörk materia har väldigt olika egenskaper. En sådan modell drar fördel av principen inom kvantmekaniken att varje subatomär partikel har en våg associerad med sig. Om den mörka materiepartikeln har en extremt liten massa, ungefär tio tusen biljoner biljoner gånger mindre än en elektrons massa, dess motsvarande våglängd kommer att vara cirka 3, 000 ljusår. Detta avstånd från en topp av vågen till en annan är ungefär en åttondel av avståndet mellan jorden och Vintergatans centrum. Däremot ljusets längsta våglängd, en radiovåg, är bara några mil lång.

Vågor från olika partiklar på dessa stora skalor kan överlappa och störa varandra som vågor på en damm, agerar som ett kvantsystem på galaktisk snarare än atomär skala.

Den stora våglängden på partiklarnas våg gör att densiteten av mörk materia i galaxernas centrum inte kan nås kraftigt. Därför skulle dessa partiklar för en observatör utanför en galax verka suddiga om de kunde detekteras direkt, så denna modell har kallats "fuzzy dark matter". Eftersom den normala materien attraheras av den mörka materian kommer den också att spridas ut över stora skalor. Detta skulle naturligtvis förklara avsaknaden av en stark topp i materiens densitet i galaxernas centrum.

Denna enkla modell har lyckats förklara mängden och platsen för mörk materia i små galaxer. För större galaxer, en mer komplicerad modell av flummig mörk materia har behövts. I denna modell, massiva koncentrationer av mörk materia kan leda till flera kvanttillstånd (kallade "exciterade tillstånd"), där partiklarna av mörk materia kan ha olika mängder energi, liknar en atom med elektroner i banor med högre energi. Dessa exciterade tillstånd förändrar hur densiteten av mörk materia varierar med avståndet bort från galaxhopens centrum.

I en ny studie, ett team av forskare använde Chandra-observationer av den heta gasen i 13 galaxhopar för att se om modellen för suddig mörk materia fungerar i större skala än galaxerna. De använde Chandra-data för att uppskatta både mängden mörk materia i varje kluster och hur densiteten av denna materia varierar med avståndet från galaxhopens centrum.

Grafiken visar fyra av de 13 galaxhopar som användes i studien. Klusterna är, börjar längst upp till vänster och går medurs, Abell 262, Abell 383, Abell 1413, och Abell 2390. I var och en av dessa bilder, Röntgendata från Chandra är rosa, medan optiska data är röda, grön, och blått.

Som med studier av galaxer, den enklaste modellen av flummig mörk materia – där alla partiklar har lägsta möjliga energi – stämde inte överens med uppgifterna. Dock, de fann att modellen där partiklarna hade olika mängder energi - de "exciterade tillstånden - gav bra överensstämmelse med data. Faktum är att, modellen för fuzzy dark materia kan matcha observationerna av dessa 13 galaxhopar lika bra eller till och med bättre än en modell baserad på kall mörk materia.

Detta resultat visar att modellen med fuzzy mörk materia kan vara ett gångbart alternativ till kall mörk materia, men ytterligare arbete krävs för att testa denna möjlighet. En viktig effekt av de exciterade tillstånden är att ge krusningar, eller svängningar, i densiteten av mörk materia som en funktion av avståndet bort från mitten av klustret. Detta skulle ge ringar i tätheten av normal materia. Den förväntade omfattningen av dessa krusningar är mindre än de nuvarande osäkerheterna i data. En mer detaljerad studie behövs för att testa denna förutsägelse av modellen.

En artikel som beskriver dessa resultat accepterades nyligen för publicering i Månatliga meddelanden från Royal Astronomical Society och är tillgänglig online. Författarna är Tula Bernal (National Polytechnic Institute, Mexico City), Victor Robles (University of California, Irvine), och Tonatiuh Matos (National Polytechnic Institute).