Sejak "Zaman Keemasan Relativiti Umum" pada tahun 1960-an, para saintis berpendapat bahawa sebahagian besar Alam Semesta terdiri dari jisim yang tidak dapat dilihat secara misterius yang dikenali sebagai "Dark Matter". Sejak itu, saintis berusaha menyelesaikan misteri ini dengan pendekatan serampang dua mata. Di satu pihak, ahli astrofizik telah berusaha mencari partikel calon yang dapat menyumbang kepada jisim ini.
Sebaliknya, ahli astrofizik telah berusaha mencari asas teori yang dapat menjelaskan tingkah laku Dark Matter. Sejauh ini, perdebatan berpusat pada pertanyaan apakah itu "panas" atau "dingin", dengan dingin menikmati kelebihan kerana kesederhanaan yang relatif. Walau bagaimanapun, satu kajian baru yang diketuai oleh Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA)
Ini berdasarkan simulasi kosmologi pembentukan galaksi menggunakan model Alam Semesta yang merangkumi Dark Matter interaktif. Simulasi dilakukan oleh pasukan penyelidik antarabangsa dari CfA, Institut Kavli untuk Penyelidikan Astrofizik dan Angkasa lepas MIT, Institut Leibniz untuk Astrofizik Potsdam, dan beberapa universiti. Kajian baru-baru ini muncul di Makluman Bulanan Persatuan Astronomi Diraja.
Apabila tepat, Dark Matter diberi nama dengan tepat. Sebagai permulaan, ia merangkumi sekitar 84% jisim Alam Semesta tetapi tidak memancarkan, menyerap atau memantulkan cahaya atau bentuk radiasi lain yang diketahui. Kedua, ia tidak mempunyai muatan elektromagnetik dan tidak berinteraksi dengan bahan lain kecuali melalui graviti, yang paling lemah dari empat daya asas.
Ketiga, ia tidak terdiri daripada atom atau blok bangunan biasa (iaitu elektron, proton, dan neutron), yang menyumbang kepada sifat misteri. Akibatnya, para saintis berteori bahawa ia mesti terdiri dari beberapa jenis perkara baru yang sesuai dengan undang-undang Alam Semesta tetapi tidak muncul dalam penyelidikan fizik partikel konvensional.
Terlepas dari sifatnya yang sebenarnya, Dark Matter memiliki pengaruh besar terhadap evolusi kosmos sejak sekitar 1 miliar tahun setelah Big Bang dan seterusnya. Sebenarnya, ia dipercayai memainkan peranan penting dalam segala hal, mulai dari pembentukan galaksi hingga penyebaran sinaran Latar gelombang mikro kosmik (CMB).
Terlebih lagi, model kosmologi yang mengambil kira peranan yang dimainkan oleh Dark Matter disokong oleh pemerhatian kedua-dua jenis struktur kosmik ini. Juga, mereka konsisten dengan parameter kosmik seperti kadar di mana Alam Semesta berkembang, yang dipengaruhi oleh kekuatan misteri dan tidak kelihatan (dikenali sebagai "Tenaga Gelap").
Pada masa ini, model Dark Matter yang paling banyak diterima menganggap bahawa ia tidak berinteraksi dengan jenis bahan atau radiasi lain (termasuk dirinya sendiri) di luar pengaruh graviti - iaitu bahawa ia "sejuk". Inilah yang dikenali sebagai senario Cold Dark Matter (CDM), yang sering digabungkan dengan teori Dark Energy (diwakili oleh Lambda) dalam bentuk model kosmologi LCDM.
Bentuk teori Dark Matter ini juga disebut sebagai
"[CDM] adalah model yang paling baik diuji dan disukai. Ini terutama kerana sejak empat dekad yang lalu, orang telah bekerja keras untuk membuat ramalan menggunakan Dark Dark Matter sebagai paradigma standard - ini kemudian dibandingkan dengan data sebenar - dengan penemuan bahawa, secara umum, model ini dapat menghasilkan semula pelbagai fenomena yang diperhatikan di pelbagai skala. "
Seperti yang dijelaskannya, senario Dark Matter yang sejuk menjadi pelopor utama setelah simulasi berangka evolusi kosmik dilakukan dengan menggunakan "hot Dark Matter" - dalam kes ini, neutrino. Ini adalah zarah subatom yang sangat mirip dengan zarah
Simulasi ini menunjukkan bahawa ramalan pengedaran tidak seperti yang dilakukan oleh Universe hari ini, ”tambah Bose. "Atas sebab itu, had yang berlawanan mulai dipertimbangkan, zarah-zarah yang hampir tidak memiliki kecepatan ketika mereka dilahirkan (alias" dingin "). Simulasi yang merangkumi calon ini sesuai dengan pemerhatian moden Alam Semesta dengan lebih dekat.
“Setelah melakukan ujian pengelompokan galaksi yang sama seperti sebelumnya, para astronom menemukan perjanjian mengejutkan antara alam semesta yang disimulasikan dan yang diamati. Pada dekad-dekad berikutnya, zarah sejuk telah diuji melalui ujian yang lebih ketat dan tidak sepele daripada sekadar pengelompokan galaksi, dan secara umum telah melewati masing-masing dengan warna terbang. "
Punca lain yang menarik adalah kenyataan bahawa Dark Dark Matter (sekurang-kurangnya secara teori) semestinya dapat dikesan sama ada secara langsung atau tidak langsung. Namun, di sinilah CDM menghadapi masalah kerana semua usaha untuk mengesan satu zarah setakat ini gagal. Oleh itu, ahli kosmologi telah mempertimbangkan calon lain yang mungkin mempunyai tahap interaksi yang lebih kecil dengan perkara lain.
Inilah yang ingin ditentukan oleh Sownak Bose, ahli astronomi dengan CfA dengan pasukan penyelidiknya. Demi belajar, mereka memfokuskan diri pada calon Dark Matter yang "hangat". Jenis zarah ini mempunyai kemampuan untuk berinteraksi secara halus dengan zarah-zarah yang sangat ringan yang bergerak mendekati kelajuan cahaya, walaupun lebih sedikit daripada variasi "panas" yang lebih interaktif.
Secara khusus, ia dapat berinteraksi dengan neutrino, bekas pelari depan untuk senario HDM. Neutrinos dianggap sangat lazim pada awal Alam Semesta yang panas, jadi kehadiran Dark Matter yang berinteraksi pasti mempunyai pengaruh yang kuat.
"Dalam kelas model ini, zarah Dark Matter dibolehkan melakukan interaksi yang terbatas (tetapi lemah) dengan spesies radiasi seperti foton atau neutrino," kata Dr. Bose. "Gandingan ini meninggalkan kesan yang agak unik dalam 'kekenyangan' Alam Semesta pada waktu awal, yang jauh berbeda dengan apa yang diharapkan jika Dark Matter adalah zarah yang sejuk."
Untuk menguji ini, pasukan ini menjalankan simulasi kosmologi canggih di kemudahan superkomputer di Harvard dan University of Iceland. Simulasi ini mempertimbangkan bagaimana pembentukan galaksi akan dipengaruhi oleh kehadiran Matter Gelap dan Gelap dari kira-kira 1 bilion selepas Big Bang hingga 14 bilion tahun (kira-kira sekarang). Kata Dr. Bose menunjukkan:
"[W] kami menjalankan simulasi komputer untuk menghasilkan kesedaran tentang rupa alam semesta ini setelah 14 bilion tahun evolusi. Selain memodelkan komponen Dark Matter, kami juga menyertakan preskripsi canggih untuk pembentukan bintang, kesan supernova dan lubang hitam, pembentukan logam dan lain-lain.”
Pasukan itu kemudian membandingkan hasilnya antara satu sama lain untuk mengenal pasti ciri khas yang akan membezakan antara yang lain. Apa yang mereka dapati adalah bahawa untuk banyak simulasi kesan Dark Matter interaktif ini terlalu kecil sehingga tidak dapat dilihat. Namun, mereka hadir dalam beberapa cara yang berbeza, terutama dengan cara galaksi yang jauh disebarkan ke seluruh angkasa.
Pemerhatian ini sangat menarik kerana dapat diuji pada masa akan datang dengan menggunakan instrumen generasi akan datang. "Cara untuk melakukan ini adalah dengan memetakan kekecewaan Alam Semesta pada masa-masa awal ini dengan melihat pengedaran gas hidrogen," jelas Dr. Bose. "Secara pengamatan, ini adalah teknik yang mapan: kita dapat menyelidiki hidrogen neutral di alam semesta awal dengan melihat spektrum galaksi yang jauh (biasanya kuarsar)."
Ringkasnya, cahaya yang bergerak ke arah kita dari galaksi jauh harus melalui medium intergalaksi. Sekiranya terdapat banyak hidrogen neutral dalam medium yang bersangkutan, garis pelepasan dari galaksi akan diserap sebahagian, sedangkan ia tidak akan terganggu jika terdapat sedikit. Sekiranya Dark Matter benar-benar sejuk, ia akan muncul dalam bentuk pengedaran gas hidrogen yang lebih "lumpier", sedangkan senario WDM akan menghasilkan ketulan berayun.
Pada masa ini, instrumen astronomi tidak mempunyai resolusi yang diperlukan untuk mengukur ayunan gas hidrogen di Alam Semesta awal. Tetapi seperti yang ditunjukkan oleh Dr. Bose, penyelidikan ini dapat memberikan dorongan untuk eksperimen baru dan kemudahan baru yang dapat membuat pengamatan ini.
Sebagai contoh, instrumen IR seperti Teleskop Angkasa James Webb (JWST) dapat digunakan untuk membuat peta baru pengedaran penyerapan gas hidrogen. Peta-peta ini dapat mengesahkan pengaruh Dark Matter interaktif atau menolaknya sebagai calon. Diharapkan juga penyelidikan ini dapat memberi inspirasi kepada orang untuk memikirkan calon di luar yang telah dipertimbangkan.
Pada akhirnya, Dr. Bose berkata, nilai sebenarnya berasal dari kenyataan bahawa ramalan teori semacam ini dapat memacu pemerhatian ke perbatasan baru dan menguji had apa yang kita rasa kita tahu. "Dan hanya itu sains sebenarnya," tambahnya, "membuat ramalan, mengusulkan kaedah untuk mengujinya, melakukan eksperimen dan kemudian mengekang / menolak teori!"
