Mörk materia var sannolikt startingrediensen för att brygga upp de allra första galaxerna i universum. Strax efter Big Bang, partiklar av mörk materia skulle ha klumpat ihop sig i gravitationella "glorier, "drar in omgivande gas i sina kärnor, som med tiden svalnade och kondenserade till de första galaxerna.

Även om mörk materia anses vara ryggraden i universums struktur, vetenskapsmän vet mycket lite om dess natur, eftersom partiklarna hittills har undgått detektering.

Nu forskare vid MIT, Princeton Universitet, och Cambridge University har funnit att det tidiga universum, och de allra första galaxerna, skulle ha sett väldigt olika ut beroende på mörk materia. För första gången, laget har simulerat hur en tidig galaxbildning skulle ha sett ut om mörk materia var "oklar, "snarare än kallt eller varmt.

I det mest accepterade scenariot, mörk materia är kall, består av långsamt rörliga partiklar som, bortsett från gravitationseffekter, har ingen interaktion med vanlig materia. Varm mörk materia anses vara en något lättare och snabbare version av kall mörk materia. Och suddig mörk materia, ett relativt nytt koncept, är något helt annat, bestående av ultralätta partiklar, cirka 1 oktiljondel (10 ^-27 ) massan av en elektron (en kall partikel av mörk materia är mycket tyngre - cirka 105 gånger mer massiv än en elektron).

I deras simuleringar, forskarna fann att om mörk materia är kall, då skulle galaxer i det tidiga universum ha bildats i nästan sfäriska glorier. Men om den mörka materiens natur är suddig eller varm, det tidiga universum skulle ha sett väldigt annorlunda ut, med galaxer som bildas först i utsträckta, svansliknande filament. I ett suddigt universum, dessa trådar skulle ha framträtt som stjärnbelysta strängar på en harpa.

När nya teleskop kommer online, med förmågan att se längre tillbaka i det tidiga universum, forskare kanske kan härleda, från mönstret för galaxbildning, om den mörka materiens natur är som idag utgör nästan 85 procent av materia i universum, är luddig i motsats till kall eller varm.

"De första galaxerna i det tidiga universum kan belysa vilken typ av mörk materia vi har idag, "säger Mark Vogelsberger, docent i fysik vid MIT:s Kavli Institute for Astrophysics and Space Research. "Antingen ser vi detta glödtrådsmönster, och suddig mörk materia är trolig, eller det gör vi inte, och vi kan utesluta den modellen. Vi har nu en plan för hur man gör detta. "

Vogelsberger är medförfattare till ett papper som förekommer i Fysiska granskningsbrev , tillsammans med tidningens huvudförfattare, Philip Mocz från Princeton University, och Anastasia Fialkov från Cambridge University och tidigare University of Sussex.

Luddiga vågor

Även om mörk materia ännu inte har upptäckts direkt, hypotesen som beskriver mörk materia som kyla har visat sig vara framgångsrik i att beskriva den storskaliga strukturen i det observerbara universum. Som ett resultat, modeller för galaxbildning är baserade på antagandet att mörk materia är kall.

"Problemet är, det finns vissa skillnader mellan observationer och förutsägelser av kall mörk materia, "Vogelsberger påpekar." Till exempel, om du tittar på mycket små galaxer, den härledda fördelningen av mörk materia inom dessa galaxer stämmer inte helt överens med vad teoretiska modeller förutsäger. Så det är spänning där. "

Stiga på, sedan, alternativa teorier för mörk materia, inklusive varm, och suddig, som forskare har föreslagit under de senaste åren.

"Den mörka materiens natur är fortfarande ett mysterium, "Fialkov säger." Fuzzy mörk materia motiveras av grundläggande fysik, till exempel, strängteorin, och därmed är en intressant kandidat för mörk materia. Kosmiska strukturer har nyckeln till att validera eller utesluta sådana modeller av mörk materia. "

Fuzzy mörk materia består av partiklar som är så ljusa att de verkar i en kvantitet, vågliknande mode, snarare än som enskilda partiklar. Denna kvantitet, suddig natur, Mocz säger, kunde ha producerat tidiga galaxer som ser helt annorlunda ut än vad standardmodeller förutsäger för kall mörk materia.

"Även om dessa olika scenarier för mörk materia i det sena universum kan förutsäga liknande former för galaxer, de första galaxerna skulle vara påfallande annorlunda, som kommer att ge oss en aning om vad mörk materia är, "Säger Mocz.

För att se hur annorlunda ett kallt och luddigt tidigt universum kan vara, forskarna simulerade en liten, kubikrum i det tidiga universum, mäter cirka 3 miljoner ljusår, och sprang framåt i tid för att se hur galaxer skulle bildas med tanke på ett av de tre mörka materiens scenarier:kallt, värma, och luddigt.

Teamet började varje simulering med att anta en viss fördelning av mörk materia, som forskare har en uppfattning om, baserat på mätningar av den kosmiska mikrovågsbakgrunden - "relikstrålning" som avges av, och upptäcktes bara 400, 000 år efter, Big Bang.

"Mörk materia har inte en konstant densitet, även i dessa tidiga tider, "Säger Vogelsberger." Det finns små störningar ovanpå ett fält med konstant densitet. "

Forskarna kunde använda befintliga algoritmer för att simulera galaxbildning under scenarier av kall och varm mörk materia. Men för att simulera suddig mörk materia, med sin kvantitet, de behövde ett nytt tillvägagångssätt.

En karta över harpsträngar

Forskarna modifierade sin simulering av kall mörk materia, gör det möjligt att lösa två extra ekvationer för att simulera galaxbildning i ett suddigt mörkt materiauniversum. Den första, Schrödingers ekvation, beskriver hur en kvantpartikel fungerar som en våg, medan den andra, Poissons ekvation, beskriver hur den vågen genererar ett densitetsfält, eller distribution av mörk materia, och hur den fördelningen leder till gravitationen - kraften som så småningom drar in materia för att bilda galaxer. De kopplade sedan denna simulering till en modell som beskriver gasens beteende i universum, och hur det kondenserar till galaxer som svar på gravitationseffekter.

I alla tre scenarierna, galaxer bildades överallt där det fanns överdensiteter, eller stora koncentrationer av gravitationellt kollapsad mörk materia. Mönstret för denna mörka materia, dock, var annorlunda, beroende på om det var kallt, värma, eller suddig.

I ett scenario med kall mörk materia, galaxer bildade i sfäriska glorier, samt mindre subhalos. Varm mörk materia producerade första galaxer i svansliknande trådar, och inga subhalos. Detta kan bero på varm mörk materia som är ljusare, snabbare natur, gör partiklar mindre benägna att fastna i mindre, subhalo klumpar.

Liknar varm mörk materia, otydlig mörk materia bildade stjärnor längs trådarna. Men sedan tog kvantevågseffekterna vid utformningen av galaxerna, som bildade mer avskalade trådar, som strängar på en osynlig harpa. Vogelsberger säger att detta randiga mönster beror på störningar, en effekt som uppstår när två vågor överlappar varandra. När detta inträffar, till exempel i ljusvågor, punkterna där topparna och dalarna i varje våg är i linje bildar mörkare fläckar, skapa ett växlande mönster av ljusa och mörka områden.

Vid oklar mörk materia, istället för ljusa och mörka punkter, det genererar ett växlande mönster av över-täta och under-täta koncentrationer av mörk materia.

"Du skulle få mycket gravitationskraft vid dessa överdensiteter, och gasen skulle följa, och någon gång skulle bilda galaxer längs dessa överdensiteter, och inte underdensiteterna, "Vogelsberger förklarar." Den här bilden skulle replikeras i det tidiga universum. "

Teamet utvecklar mer detaljerade förutsägelser om hur tidiga galaxer kan ha sett ut i ett universum som domineras av oklar mörk materia. Deras mål är att tillhandahålla en karta för kommande teleskop, som James Webb rymdteleskop, som kanske kan se tillräckligt långt tillbaka i tiden för att upptäcka de tidigaste galaxerna. Om de ser filamentära galaxer som de som simuleras av Mocz, Fialkov, Vogelsberger, och deras kollegor, det kan vara de första tecknen på att den mörka materiens natur är suddig.

"Det är detta observationstest vi kan tillhandahålla för den mörka materiens natur, baserat på observationer av det tidiga universum, som kommer att bli genomförbart de närmaste åren, "Säger Vogelsberger.