Identiska tvillingar liknar varandra på många sätt, men de har olika erfarenheter, vänner, och livsstilar.

Detta koncept spelas ut i en kosmologisk skala av galaxer. Två galaxer som vid första anblicken verkar vara mycket lika och effektivt identiska kan få inre områden att rotera med mycket olika hastigheter - den galaktiska analogen för tvillingar med olika livsstilar.

Ett team av fysiker, ledd av Hai-Bo Yu från University of California, Riverside, har hittat en enkel och livskraftig förklaring till denna mångfald.

Varje galax sitter i en halo av mörk materia som bildar gravitationens ställningar som håller ihop den. Fördelningen av mörk materia i denna gloria kan härledas från rörelsen av stjärnor och gaspartiklar i galaxen.

Yu och kollegor rapporterar in Fysiska granskningsbrev att olika kurvor för galaktisk rotation, ett diagram över rotationshastigheter på olika avstånd från mitten, kan naturligt förklaras om partiklar av mörk materia antas kraftigt kollidera med varandra i den inre glorin, nära galaxens centrum - en process som kallas mörk interaktion.

"I den rådande mörka materiens teori, kallad Cold Dark Matter eller CDM, partiklar av mörk materia antas vara kollisionslösa, bortsett från gravitationen, "sa Yu, en biträdande professor i teoretisk partikelfysik och astrofysik, som ledde forskningen. "Vi åberopar en annan teori, den självinteragerande modellen för mörk materia eller SIDM, att visa att självinteraktioner av mörk materia värmer den inre glorian, som förbinder vanlig materia och mörk materiefördelning så att de beter sig som en kollektiv enhet. Den självinteragerande halogen av mörk materia blir sedan tillräckligt flexibel för att rymma de observerade olika rotationskurvorna. "

Yu förklarade att kollisioner av mörk materia sker i den täta inre glorien, där den lysande galaxen är belägen. När partiklarna kolliderar, de utbyter energi och värmer. För svagt ljusande galaxer, termaliseringsprocessen värmer upp de inre partiklarna i mörk materia och skjuter ut dem från det centrala området, minska tätheten, analogt med en popcornmaskin där kärnor träffar varandra när de dyker upp, får dem att flyga upp från maskinens botten. För höglysande galaxer som Vintergatan, termalisering drar partiklarna in i den ljusa substansens djupa potentialbrunn och ökar densiteten för mörk materia. Dessutom, glosorens kosmologiska sammansättningshistoria spelar också en roll för att generera den observerade mångfalden.

"Vårt arbete visar att mörk materia kan ha starka självinteraktioner, en radikal avvikelse från den rådande teorin, "Sa Yu." Det förklarar väl den observerade mångfalden av galaktiska roterande kurvor, samtidigt som de överensstämmer med andra kosmologiska observationer. "

Mörk materia utgör cirka 85 procent av materia i universum, men dess natur förblir i stort sett okänd trots sitt omisskännliga gravitationstryck på astronomiska och kosmologiska observationer. Det konventionella sättet att studera mörk materia är att anta att det har några ytterligare, nongravitational interaktion med synlig materia som kan studeras i laboratoriet. Fysikerna vet inte, dock, om en sådan interaktion mellan mörk och synlig materia ens existerar.

Under det senaste decenniet har Yu har varit banbrytande inom en ny forskningslinje baserad på följande förutsättningar:Att avsätta huruvida mörk materia interagerar med synlig materia, vad händer om mörk materia interagerar med sig själv genom någon ny mörk kraft?

Yu påstod att den nya mörka kraften skulle påverka fördelningen av mörk materia i varje galax halo. Han insåg att det verkligen finns en skillnad mellan CDM och astronomiska observationer som kan lösas om mörk materia är själv-interagerande.

"Denna hypotes förenlighet med observationer är ett stort framsteg inom området, "sa Flip Tanedo, en biträdande professor i teoretisk partikelfysik vid UC Riverside, som inte var inblandad i forskningen. "SIDM -paradigmet är en bro mellan grundläggande partikelfysik och observationsastronomi. Konsekvensen med observationer är en stor antydan om att detta förslag har en chans att vara korrekt och lägger grunden för framtida observationer, experimentell, numerisk, och teoretiskt arbete. På det här sättet, det banar väg för ny tvärvetenskaplig forskning. "

SIDM föreslogs första gången år 2000 av ett par framstående astrofysiker. Det upplevde en väckelse i partikelfysikgemenskapen runt 2009, biträdes delvis av nyckelarbete av Yu och medarbetare.

"Det här är en speciell tid för denna typ av forskning eftersom numeriska simuleringar av galaxer äntligen närmar sig en precision där de kan göra konkreta förutsägelser för att jämföra observationsprognoserna för de självinteragerande kontra kalla mörka materiescenarier, "Sa Tanedo." På detta sätt, Hai-Bo är arkitekten för modern självinteragerande mörk materia och hur den slår samman flera olika områden:teoretisk högenergifysik, experimentell högenergifysik, observations astronomi, numeriska simuleringar av astrofysik, och tidigt universums kosmologi och galaxbildning. "

Forskningspapperet ingår av Fysiska granskningsbrev som ett "Editor's Suggestion" och finns också i APS Physics.