Fysiker har länge teoretiserat att vårt universum kanske inte är begränsat till vad vi kan se. Genom att observera gravitationskrafter på andra galaxer har de antagit förekomsten av "mörk materia", som skulle vara osynlig för konventionella former av observation.

Pran Nath, Matthews Distinguished University Professor i fysik vid Northeastern University, säger att "95 % av universum är mörkt, är osynligt för ögat."

"Men vi vet att det mörka universum finns där genom [sin] gravitationskraft på stjärnor", säger han. Förutom dess gravitation har mörk materia aldrig verkat ha någon större effekt på det synliga universum.

Ändå har förhållandet mellan dessa synliga och osynliga domäner, särskilt när universum först bildades, förblivit en öppen fråga.

Nu säger Nath att det finns allt fler bevis för att dessa två förmodat distinkta världar faktiskt utvecklades tillsammans.

Genom en serie datormodeller har Nath och Ph.D. kandidaten Jinzheng Li har upptäckt att den synliga och den dolda sektorn, som de kallar dem, sannolikt utvecklades samtidigt i ögonblicken efter Big Bang, med djupgående återverkningar för hur universum utvecklades därefter.

Nath säger att det fanns en tid då vissa fysiker effektivt skrev av denna dolda sektor, eftersom vi kan förklara det mesta av vad som händer inom det synliga – det vill säga om våra modeller exakt kan återge vad vi kan se hända runt omkring oss, varför bry sig om att försöka mäta något som inte har någon märkbar effekt?

"Frågan är vad den dolda sektorns inflytande har på den synliga sektorn?" frågar Nath. "Men vad bryr vi oss om? Vi kan förklara allt."

Men vi kan inte förklara allt, hävdar Nath. Det finns anomalier som inte verkar passa den så kallade "Standardmodellen" av universum.

Att de synliga och dolda sektorerna är ömsesidigt isolerade är en missuppfattning, säger Nath, baserat på ett antagande "att den synliga och den dolda sektorn utvecklades oberoende av varandra." Nath vill vända på det antagandet.

I en artikel publicerad i Physical Review D , "Big Bang Initial Conditions and Self-Interacting Hidden Dark Matter", som skrevs tillsammans med Li, vill Nath ställa vad han kallar "den viktigare frågan:Hur vet vi att de utvecklades oberoende?"

För att testa detta antagande "införde Nath och hans team några svaga interaktioner" mellan de två sektorerna i sina modeller av Big Bang. Dessa magra interaktioner skulle inte räcka för att påverka resultatet av till exempel partikelacceleratorexperiment, "men vi ville se vilka effekterna skulle bli på den synliga sektorn som helhet", säger Nath, "från tiden för den stora Slå till den aktuella tiden."

Även med minimal interaktion mellan de två sektorerna upptäckte Nath och hans team att mörk materias inflytande på den synliga materia vi är gjorda av kan ha en stor inverkan på observerbara fenomen.

Hubble-expansionen – som i enklaste termer säger att galaxer rör sig bort från varandra och därmed att universum expanderar – innehåller till exempel en "ganska allvarlig" skillnad mellan vad standardmodellen förutspår och vad som har observerats . Naths modeller står delvis för denna skillnad.

En stor variabel är temperaturen i den dolda sektorn under Big Bang.

Den synliga sektorn, kan vi vara ganska säkra på, började väldigt hett vid ögonblicket av Big Bang. När universum svalnar säger Nath, "det vi ser är resterna av den perioden av universum."

Men genom att studera utvecklingen av de två sektorerna kunde Nath och hans team modellera båda förhållandena – en dold sektor som började varmt och en annan dold sektor som började kall.

Det de observerade var överraskande:Trots betydande skillnader mellan modellerna, med stora konsekvenser för hur universum såg ut i tidiga tider, överensstämde både de varma och kalla modellerna med den synliga sektor vi kan observera idag.

Våra nuvarande mätningar av det synliga universum är med andra ord otillräckliga för att bekräfta vilken sida den dolda sektorn föll på i början – varm eller kall.

Nath är snabb med att påpeka att detta, snarare än ett misslyckande i experimentet, är ett exempel på de matematiska modellerna som överskrider vår nuvarande experimentella förmåga.

Det är inte så att skillnaden mellan en varm eller kall dold sektor inte har någon betydelse för det synliga universum, utan att vi inte har utfört experiment – ​​ännu – med tillräckligt hög precision. Nath nämner Webb-teleskopet som ett exempel på nästa generations verktyg som kommer att kunna göra så exakta observationer.

Det slutliga målet med allt detta modelleringsarbete är att göra bättre förutsägelser om tillståndet i universum, hur det hela fungerar och vad vi kommer att hitta när vi tittar djupare och djupare in i natthimlen.

När våra experiment blir mer precisa kommer frågorna inbakade i Naths modeller – var den dolda sektorn varm eller kall? – att hitta sina svar, och de förtydligade modellerna kommer att hjälpa till att förutsäga lösningarna på allt djupare frågor.

"Vad är betydelsen av detta?" frågar Nath. Människor, säger han, "vill hitta sin plats i universum." Och mer än det, "vill de svara på frågan, varför finns det ett universum?

"Och vi undersöker dessa frågor. Det är människors ultimata strävan."

Mer information: Jinzheng Li et al, Big bang initiala förhållanden och självinteragerande dold mörk materia, Physical Review D (2023). DOI:10.1103/PhysRevD.108.115008

Journalinformation: Fysisk granskning D

Tillhandahålls av Northeastern University

Denna berättelse är återpublicerad med tillstånd av Northeastern Global News news.northeastern.edu.