Gravitationskraften i universum under vilken den har utvecklats från ett tillstånd nästan enhetligt vid Big Bang fram till nu, när materia är koncentrerad i galaxer, stjärnor och planeter, tillhandahålls av vad som kallas "mörk materia." Men trots den viktiga roll som detta extramaterial spelar, vi vet nästan ingenting om dess natur, beteende och sammansättning, vilket är ett av grundproblemen i modern fysik. I en ny artikel i Bokstäver i astronomi och astrofysik , forskare vid Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC)/University of La Laguna (ULL) och National University of the North-West of the Province of Buenos Aires (Junín, Argentina) har visat att den mörka materien i galaxer följer en "maximal entropi"-fördelning, som belyser dess natur.

Mörk materia utgör 85 % av universums materia, men dess existens visar sig endast på astronomiska skalor. Det vill säga, på grund av dess svaga interaktion, nettoeffekten kan bara märkas när den finns i stora mängder. Eftersom det bara svalnar med svårighet, strukturerna den bildar är i allmänhet mycket större än planeter och stjärnor. Eftersom närvaron av mörk materia endast visar sig i stor skala måste upptäckten av dess natur förmodligen göras genom astrofysiska studier.

Maximal entropi

Att säga att fördelningen av mörk materia är organiserad enligt maximal entropi (vilket motsvarar 'maximal oordning' eller 'termodynamisk jämvikt') betyder att den återfinns i sitt mest sannolika tillstånd. För att nå denna "maximala oordning" måste den mörka materien ha behövt kollidera inom sig själv, precis som gasmolekyler gör, för att nå en jämvikt där dess densitet, tryck, och temperatur är relaterade. Dock, vi vet inte hur den mörka materien har nått denna typ av jämvikt.

"Till skillnad från molekylerna i luften, till exempel, eftersom gravitationsverkan är svag, mörk materia partiklar borde knappast kollidera med varandra, så att mekanismen genom vilken de når jämvikt är ett mysterium, " säger Jorge Sánchez Almeida, en IAC-forskare som är första författare till artikeln. "Men om de krockade med varandra skulle detta ge dem en mycket speciell natur, som delvis skulle lösa mysteriet med deras ursprung, " han lägger till.

Den maximala entropin av mörk materia har upptäckts i dvärggalaxer, som har ett högre förhållande mellan mörk materia och total materia än har mer massiva galaxer, så det är lättare att se effekten i dem. Dock, forskarna förväntar sig att det är allmänt beteende i alla typer av galaxer.

Studien antyder att fördelningen av materia i termodynamisk jämvikt har en mycket lägre central densitet som astronomer har antagit för många praktiska tillämpningar, såsom i den korrekta tolkningen av gravitationslinser, eller när man designar experiment för att upptäcka mörk materia genom dess självförintelse.

Denna centrala täthet är grundläggande för korrekt tolkning av ljusets krökning med gravitationslinser:om den är mindre tät är linsens effekt mindre. För att använda en gravitationslins för att mäta massan av en galax behöver man en modell, om denna modell ändras, måttet ändras.

Den centrala tätheten är också mycket viktig för experimenten som försöker upptäcka mörk materia med hjälp av dess självförintelse. Två mörk materia partiklar kan interagera och försvinna i en process som är högst osannolik, men som skulle vara utmärkande för deras natur. För att två partiklar ska interagera måste de kollidera. Sannolikheten för denna kollision beror på densiteten av den mörka materian; ju högre koncentrationen av mörk materia, desto högre är sannolikheten att partiklarna kommer att kollidera.

"Av den anledningen, om tätheten ändras så kommer den förväntade produktionshastigheten för självförintelsen att göra, och med tanke på att experimenten är utformade på förutsägelse av en given hastighet, om denna frekvens var mycket låg är det osannolikt att experimentet kommer att ge ett positivt resultat, säger Sánchez Almeida.

Till sist, termodynamisk jämvikt för mörk materia kan också förklara galaxernas ljusstyrkaprofil. Denna ljusstyrka faller med avståndet från centrum av en galax på ett specifikt sätt, vars fysiska ursprung är okänt, men som forskarna arbetar för att visa att det är resultatet av en jämvikt med maximal entropi.

Simulering kontra observation

Densiteten av mörk materia i galaxernas centrum har varit ett mysterium i årtionden. Det finns en stark diskrepans mellan simuleringarnas förutsägelser (hög densitet) och det som observeras (ett lågt värde). Astronomer har lagt fram många typer av mekanismer för att lösa denna stora oenighet.

I den här artikeln, forskarna har visat, använda grundläggande fysiska principer, att observationerna kan reproduceras under antagandet att den mörka materien är i jämvikt, dvs. att den har maximal entropi. Konsekvenserna av detta resultat kan vara mycket viktiga eftersom de indikerar att den mörka materian har bytt energi med sig själv och/eller med den återstående "normala" (baryoniska) materien.

"Det faktum att jämvikt har uppnåtts på så kort tid, jämfört med universums ålder, kan vara resultatet av en typ av interaktion mellan mörk materia och normal materia förutom gravitationen, " föreslår Ignacio Trujillo, en IAC-forskare och en medförfattare till denna artikel. "Den här mekanismens exakta karaktär måste undersökas, men konsekvenserna kan vara fascinerande att förstå exakt vad denna komponent är som dominerar den totala mängden materia i universum."