Astronomer observerade att den mörka materien inte verkar klumpa sig särskilt mycket i små galaxer, men deras densitet toppar kraftigt i större system som galaxhopar. Det har varit ett pussel varför olika system beter sig olika. Kredit:Kavli IPMU - Kavli IPMU modifierade denna siffra baserat på bilden krediterad av NASA, STScI
Mörk materia partiklar kan spridas mot varandra bara när de träffar rätt energi, säger forskare i Japan, Tyskland, och Österrike i en ny studie. Deras idé hjälper till att förklara varför galaxer från de minsta till de största har de former de har.
Mörk materia är en mystisk och okänd form av materia som omfattar mer än 80 procent av materia i universum idag. Dess natur är okänd, men fysiker tror att dess gravitation är ansvarig för att bilda stjärnor och galaxer, som ledde till vår existens.
"Mörk materia är faktiskt vår mamma, som födde oss alla. Men vi har inte träffat henne; på något sätt, vi separerade vid födseln. Vem är hon? Det är frågan vi vill veta, " säger pappersförfattaren Hitoshi Murayama, en University of California Berkeley Professor och Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe huvudforskare.
Astronomer har redan funnit att mörk materia inte verkar klumpa ihop sig så mycket som datorsimuleringar antyder. Om gravitationen är den enda kraften som driver mörk materia, bara dra och aldrig trycka, då borde mörk materia bli mycket tät mot galaxernas centrum. Dock, speciellt i små svaga galaxer som kallas dvärgsfäroider, mörk materia verkar inte bli så tät som förväntat mot galaktiska centra.
När två mörk materia partiklar närmar sig varandra, tenderar sedan att helt enkelt gå förbi varandra. Kredit:Kavli IPMU
Detta pussel skulle kunna lösas om mörk materia sprider sig mot sig själv som biljardbollar, så att partiklar kan spridas ut jämnare efter en kollision. Men ett problem med denna idé är att mörk materia verkar klumpa sig i större system som galaxhopar. Vad får mörk materia att uppföra sig annorlunda mellan dvärgsfäroider och galaxhopar? Ett internationellt team av forskare har tagit fram en förklaring som skulle kunna lösa denna gåta, och avslöja vad mörk materia är.
"Om mörk materia bara sprids med varandra med en låg men mycket speciell hastighet, det kan hända ofta hos dvärgsfäroider, där den rör sig långsamt, men det är sällsynt i galaxhopar där det rör sig snabbt. Det måste träffa en resonans, säger den kinesiske fysikern Xiaoyong Chu, en postdoktor vid Österrikiska vetenskapsakademin.
Resonans är ett vanligt fenomen – att snurra vin i ett glas för att utsätta det för syre och producera mer arom kräver att glaset cirklas i exakt rätt hastighet. Gamla analoga radioapparater måste ställas in på rätt frekvens. Detta är exempel på resonans, och teamet misstänker att resonans kan förklara detta pussel med mörk materia.
Men när de kommer med en speciell hastighet, de "resonerar" och håller fast vid varandra en kort stund, och gå ut i olika riktningar efteråt, får dem att spridas. Den här vägen, mörk materia kan spridas ut så att vi kan förstå jämn profil i små galaxer. Kredit:Kavli IPMU
"Så vitt vi vet, detta är den enklaste förklaringen till pusslet. Vi är glada eftersom vi kanske vet vad mörk materia är någon gång snart, säger Murayama.
Dock, teamet var inte övertygat om att en så enkel idé skulle förklara uppgifterna korrekt. "Först, vi var lite skeptiska till att denna idé skulle förklara observationsdata; men när vi väl provade det, det fungerade som en charm, " säger den colombianska forskaren Camilo Garcia Cely, en postdoktor vid Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) i Tyskland.
Med hjälp av idén om resonans, handlingen visar att vi kan förklara alla system samtidigt. Kredit:Xiaoyong Chu, Camilo Garcia Cely, Hitoshi Murayama
Teamet tror att det inte är någon slump att mörk materia kan träffa exakt rätt ton. "Det finns många andra system i naturen som visar liknande olyckor:i stjärnor, alfapartiklar träffar en resonans av beryllium, som i sin tur träffar en resonans av kol, producerar de byggstenar som gav upphov till liv på jorden. En liknande process händer för en subatomär partikel som kallas phi, säger Garcia Cely.
"Det kan också vara ett tecken på att vår värld har fler dimensioner än vi ser. Om en partikel rör sig i extra dimensioner, den har energi. För människor, som inte ser den extra dimensionen, vi tror att energin faktiskt är massa, tack vare Einsteins E=mc 2 . Kanske rör sig någon partikel dubbelt så snabbt i extra dimension, gör dess massa exakt dubbelt så mycket som massan av mörk materia, säger Chu.
Teamets nästa steg blir att hitta observationsdata som stödjer deras teori. "Om detta är sant, framtida och mer detaljerade observationer av olika galaxer kommer att avslöja att spridning av mörk materia gör, verkligen, beror på dess hastighet, säger Murayama, som också leder en separat internationell grupp som avser att bedriva sådan forskning med hjälp av Prime Focus Spectrograph, nu under uppbyggnad. Instrumentet på 80 miljoner USD kommer att monteras på Subaru-teleskopet på toppen av Mauna Kea på Big Island, Hawaii, och kommer att kunna mäta hastigheten för tusentals stjärnor i dvärgsfäroidaler.
Teamets tidning publicerades online den 22 februari av Fysiska granskningsbrev .
