Ciemna materia może mieć właściwości kolizyjne

W przeciwieństwie do tego, co wynika z modelu standardowego, ciemna materia może rzeczywiście oddziaływać sama ze sobą. Zdaniem astronomów taki wniosek płynie z badania „El Gordo” – gromady galaktyk oddalonej od Ziemi o siedem miliardów lat świetlnych.

Jak twierdzą naukowcy z International School for Advanced Studies (Sissa) we Włoszech, obliczenia wykazały, że w gromadzie „El Gordo” obserwowane fizyczne oddzielenie punktów maksymalnej gęstości ciemnej materii od punktów innych składników masy można wyjaśnić za pomocą tak zwanego modelu SIDM (Self-Interacting dark matter), w przeciwieństwie do modelu standardowego. Badania wskazują na prawidłowość modelu SIDM, zgodnie z którym cząstki ciemnej materii wymieniają energię poprzez zderzenia, co może znacząco wpłynąć astrofizykę. Badania zostały opublikowane w czasopiśmie Astronomy & Astrophysics i przeprowadzonych przez Riccardo Valdarniniego z grupy astrofizyki i kosmologii SISSA.

„Zgodnie z obecnie akceptowanym standardowym modelem kosmologicznym, obecna gęstość materii barionowej (zwykłej materii) we Wszechświecie może stanowić jedynie 10 proc. całkowitej zawartości materii. Pozostałe 90 proc. ma postać ciemnej materii. Powszechnie uważa się, że materia ta jest niebarionowa i składa się z zimnych, bezkolizyjnych cząstek, które reagują tylko na grawitację. Stąd nazwa – zimna ciemna materia (CDM). Jednak nadal istnieje wiele obserwacji, które nie zostały jeszcze wyjaśnione przy użyciu modelu standardowego. Aby odpowiedzieć na te pytania, badacze zaproponowali alternatywny model, zwany SIDM” – wyjaśnia Riccardo Valdarnini z SISSA.

Zdaniem naukowca, udowodnienie kolizyjnych właściwości ciemnej materii i teorii alternatywnych do standardowego modelu kosmologicznego jest bardzo skomplikowane –„Istnieją jednak wyjątkowe laboratoria, które mogą okazać się bardzo przydatne w tym celu, oddalone od nas o wiele lat świetlnych. Są to masywne gromady galaktyk, gigantyczne struktury kosmiczne, które po zderzeniu determinują najbardziej energetyczne wydarzenia od czasu Wielkiego Wybuchu” – wyjaśnia.

„Z masą około 10¹⁵ mas Słońca, El Gordo jest jedną z największych znanych nam gromad galaktyk. Ze względu na swoje niezwykłe właściwości, była przedmiotem licznych badań, zarówno teoretycznych, jak i obserwacyjnych” – dodaje.

Zgodnie ze standardowym paradygmatem, jak wskazują astronomowie, podczas fuzji gromad zachowanie kolizyjnego składnika masy gazu będzie się różnić od zachowania pozostałych dwóch składników – galaktyk i ciemnej materii. W tym scenariuszu gaz rozproszy część swojej początkowej energii.

„To dlatego po zderzeniu szczyt gęstości masy gazu pozostanie w tyle za gęstością ciemnej materii i galaktyk. W przypadku modelu SIDM należy jednak zaobserwować szczególne zjawisko – fizyczne oddzielenie centroidów ciemnej materii – jej punktów maksymalnej gęstości, od punktów innych składników masy z osobliwościami, które stanowią prawdziwą sygnaturę modeli SIDM. Zgodnie z obserwacjami, dokładnie to dzieje się wewnątrz El Gordo” – wyjaśnia Valdarnini.

„El Gordo składa się z dwóch masywnych podgromad, nazwanych odpowiednio północno-zachodnią (NW) i południowo-wschodnią (SE). Obraz rentgenowski gromady pokazuje pojedynczy pik emisji rentgenowskiej w podgromadzie SE i dwa słabe ogony wydłużone poza pik rentgenowski. Godną uwagi cechą jest położenie piku różnych składników masy” – podkreśla naukowiec.

Jak wskazują naukowcy, w przeciwieństwie do tego, co można zaobserwować w gromadzie galaktyk 1E0657-558 – innym ważnym przykładzie zderzającej się gromady, pik rentgenowski poprzedza pik ciemnej materii SE. A najjaśniejsza galaktyka gromady (BCG) nie tylko podąża za pikiem rentgenowskim, ale także wydaje się być przestrzennie przesunięta względem centroidu masy SE. Inny godny uwagi aspekt można zaobserwować w podgromadzie NW, gdzie pik gęstości liczby galaktyk jest przestrzennie przesunięty względem odpowiadającego mu piku masy.

Aby wyjaśnić swoje odkrycia i zweryfikować modele SIDM, astronomowie wykorzystali duży zestaw symulacji zwanych N-body/hydrodynamical (symulacje dynamicznego układu cząstek, zwykle pod wpływem sił fizycznych, takich jak grawitacja). Dzięki czemu lepiej poznali właściwości El Gordo.

„Najważniejszym wynikiem tego badania symulacyjnego jest to, że względne odległości obserwowane między różnymi centroidami masy gromady El Gordo mogą zostać wyjaśnione, jeśli ciemna materia oddziałuje sama ze sobą. Z tego powodu odkrycia te stanowią jednoznaczną sygnaturę zachowania ciemnej materii, która wykazuje właściwości kolizyjne w bardzo energetycznym zderzeniu gromady z przesunięciem ku czerwieni. Istnieją jednak niespójności, ponieważ wartości przekroju poprzecznego SIDM uzyskane z tych symulacji są wyższe niż obecne górne limity, które są rzędu jedności w skali gromady” – zaznacza Valdarnini.

„Sugeruje to, że obecne modele SIDM powinny być traktowane jedynie jako przybliżenie niskiego rzędu, a podstawowe procesy fizyczne opisujące interakcje ciemnej materii w głównych połączeniach gromad są bardziej złożone niż można to odpowiednio przedstawić za pomocą powszechnie przyjętego podejścia opartego na rozpraszaniu cząstek ciemnej materii. Badanie to stanowi przekonujący argument za możliwością samoistnego oddziaływania tej niezwykłej substancji między zderzającymi się gromadami jako alternatywy dla standardowego paradygmatu bezkolizyjnej ciemnej materii” – podsumowuje naukowiec.

Emil Gołoś