Тъмната материя може да взаимодейства по напълно неочакван начин

Ваня Милева Последна промяна на 03 юли 2023 в 00:01 7485 0

Илюстрация, показваща разпределението на тъмната материя във Вселената.

Кредит AMNH

Илюстрация, показваща разпределението на тъмната материя във Вселената.

Според теорията за всемирното притегляне на сър Исак Нютон гравитацията е действие на разстояние, при което един обект усеща влиянието на друг независимо от разстоянието. Това се превръща в основна характеристика на класическата Нютонова физика, която остава възприет канон в продължение на повече от двеста години.

През XX в. Айнщайн започва да преосмисля гравитацията с теорията си за общата теория на относителността, според която гравитацията променя кривината на локалното пространство-време. От това се получава принципът на локалността, който гласи, че един обект се влияе пряко от заобикалящата го среда и отдалечените обекти не могат да комуникират мигновено.

Появата на квантовата механика обаче предизвика още едно осмисляне, тъй като физиците откриват, че нелокалните явления не само съществуват, но и са фундаментални за реалността, каквато я познаваме. Това включва квантовото вплитане, при което свойствата на една частица могат да се прехвърлят на друга мигновено и независимо от разстоянието. В ново изследване на Международната школа за напреднали изследвания (SISSA) в Триест, Италия, екип от изследователи предполага, че тъмната материя може да взаимодейства с гравитацията по нелокален начин.

Екипът е ръководен от Франческо Бенети (Francesco Benetti) и Джовани Гандолфи (Giovanni Gandolfi), двама докторанти от Групата по астрофизика и космология в SISSA. Към него се присъединиха изследователи от Института по фундаментална физика на Вселената (IFPU), Националния институт по ядрена физика (INFN) и Института по радиоастрономия към Националния институт по астрофизика (IRA-INAF).

Тяхната статия "Тъмна материя във фракционна гравитация. I. Астрофизични тестове в галактически мащаби" (Dark Matter in Fractional Gravity. I. Astrophysical Tests on Galactic Scales, първата от поредица, посветена на взаимодействията на тъмната материя), бе публикувана в The Astronomical Journal.

Снимка на KK 246 (ESO 461-036), неправилна галактика джудже, която се намира в Местния войд, направена от широкоъгълната камера на Хъбъл Wide Field Camera 3 (WFC3) и Advanced Camera for Surveys (ACS). Кредит: NASA/ESA/Hubble/E. Shaya et al.

Според най-разпространената теория в космологията тъмната материя е мистериозната маса, която съставлява около 85% от материала във Вселената. Тази материя не взаимодейства с барионната материя (известна още като нормална или "видима" материя) чрез електромагнетизма или ядрените сили, а само чрез гравитацията (най-слабата фундаментална сила). Тя е присъствала малко след Големия взрив, където е образувала ореоли, които са накарали целия неутрален водород да се събере в купове, давайки началото на първите звезди във Вселената, които са били свързани помежду си, за да създадат първите галактики.

На теория тъмната материя е фундаментален компонент на природата, отговорен за формирането на космически структури, вариращи от галактики до галактични купове. Тя е отговорна и за кривите на въртене на галактиките, което кара звездите в диска на галактиката да обикалят около общ център. Нейното съществуване е необходимо и за функционирането на Общата теория на относителността, която е безкрайно потвърдена чрез наблюдения и експерименти, в най-големи мащаби. Природата на тъмната материя обаче остава загадка по отношение на нейния състав (WIMP или аксиони?) и начина, по който тя взаимодейства с по-малките галактики.

Според авторите тяхното изследване предлага нов модел на нелокално взаимодействие между галактическата тъмна материя и гравитацията, който би могъл да предостави нова гледна точка към все още загадъчната природа на тази невидима маса. Както е казва Айнщайн, описвайки накратко Общата теория на относителността: "Материята казва на пространство-времето как да се изкриви, а изкривеното пространство-време казва на материята как да се движи." 

"В най-вътрешната част на малките галактики тъмната материя се държи като нелокален обект, който взаимодейства с всички останали маси във Вселената", описва Бенети теорията на екипа си пред Universe Today.

Това е в противоречие с преобладаващото мнение, че тъмната материя е "студена", което означава, че тя е съставена от слабо взаимодействащи масивни частици (WIMPS). Тези частици се движат бавно спрямо скоростта на светлината и взаимодействат с нормалната материя слабо и локално. 

"Въпреки че най-използваният модел на тъмната материя (т.нар. студена тъмна материя, CDM) дава предсказания, които се потвърждават добре от експерименталните данни в космологичен мащаб, той страда от проблеми в галактиките, особено в ядрата на най-малките от тях. Нашият модел е в състояние да преодолее тези проблеми, като предлага нелокално взаимодействие между тъмната материя в рамките на галактиките", посочва Бенети.

Въз основа на идеята, че Вселената е една и съща навсякъде, Айнщайн въвежда своята космологична константа Λ (ламбда), сега известна като "тъмна енергия". Сега стандартният ни космологичен модел се нарича ΛCDM (съкратено от Lambda-Cold Dark Matter).

Хъбъл eXtreme Deep Field (XDF) съчетава наблюденията на Хъбъл, направени през последното десетилетие на малък участък от небето в съзвездието Форнакс. Кредит: NASA/ESA/UCSC/Leiden University/HUDF09 Team

За да моделира своята теория за нелокалност на тъмната материя, екипът използва дробно изчисление (Fractional calculus) - клон на математическия анализ, разработен за първи път през XVII век. Авторите използват дробни производни, които са предназначени да опишат нелокални ефекти.

През последните години е установено, че дробното изчисление има приложения в различни области на физиката, но никога досега не е било тествано в астрофизиката. Когато се използва за описание на тъмната материя в ограничена система (галактики с малки размери), тази нелокалност се проявява като колективно поведение на частиците. Бенети и колегите му прилагат теорията си към ротационните криви (крива на въртене) на хиляди различни видове галактики - от малки джуджета с преобладаваща тъмна материя до големи спирали.

Крива на въртене на типичната спирална галактика М 33 (жълти и сини точки с барове за грешка) и предсказаната от разпределението на видимата материя (бяла линия). Несъответствието между двете криви се обяснява с добавянето на ореол от тъмна материя около галактиката. Кредит: Public domain / Wikipedia

Резултатите им показват, че теорията им може да предскаже скоростта на въртене на галактиките (особено на по-малките) по-добре от CDM в Нютоновата гравитация - което те потвърждават, прилагайки статистически анализ по метода на Бейс.

"В частност теорията правилно предсказва много закони за мащабиране, наблюдавани в галактичните среди (зависимостта на радиалното ускорение, повърхностната плътност на ядрото спрямо радиуса на ядрото, радиуса на ядрото спрямо дължината на скалата на диска) и че плътността на тъмната материя трябва да бъде потисната в центъра на галактиките джуджета по отношение на тази, предсказана от модела на студената тъмна материя в Нютоновата гравитация. Това се потвърждава от наблюденията и представлява един от най-големите проблеми в моделите на Студената тъмна материя в Нютоновата гравитация", обяснява  Бенети.

По-специално, теорията, предложена от Бенети и неговите колеги, може да даде ключ към това, което е известно като "Cusp-Core Problem" (или "Cuspy Halo Problem"). Това се отнася до несъответствието между изведените профили на плътност на тъмната материя в галактики с ниска маса и профилите на плътност, предсказани от космологичните симулации. Предложени са няколко възможни решения на този проблем, включително възможни механизми за обратна връзка с алтернативни теории за тъмната материя (включително възможността тя да е "топла").

Теорията за нелокалността, предложена от Бенети и неговия екип, предлага потенциално революционно решение в рамките на CDM и може да има значителни последици за космологията.

"Нещо повече, ако механизмът, чрез който тъмната материя развива нелокално поведение в тези системи, е резултат от квантовата природа, това би представлявало пример за квантова система в макроскопични, галактически мащаби, което само по себе си е много интересно явление", допълва Бенети. "Забележително е, че други модели на квантовата природа на тъмната материя вече са известни на общността, но никой от тях не въвежда нелокално взаимодействие чрез дробна производна."

Това изследване е част от нарастващите усилия за ограничаване на природата на тъмната материя и тъмната енергия - две от най-големите загадки, пред които са изправени астрономите и космолозите днес. Тези усилия ще се ползват в значителна степен от телескопите от следващо поколение като космическия телескоп "Нанси Грейс Роман" (RST), чието изстрелване е планирано за 2027 г. и мисията "Евклид" на ЕКА, която стартира на 1 юни.

Справка: 

Dark Matter in Fractional Gravity. I. Astrophysical Tests on Galactic Scales
Francesco Benetti, Andrea Lapi, Giovanni Gandolfi, Paolo Salucci and Luigi Danese
Published 2023 May 31 • © 2023. The Author(s). Published by the American Astronomical Society.
The Astrophysical Journal, Volume 949, Number 2
Citation Francesco Benetti et al 2023 ApJ 949 65
DOI 10.3847/1538-4357/acc8ca

Източник: Dark Matter Might Interact in a Totally Unexpected Way With the Universe, Universe Today

Най-важното
Всички новини
За писането на коментар е необходима регистрация.
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

Няма коментари към тази новина !