Νέα ανάλυση από μια ομάδα φυσικών προσφέρει ένα καινοτόμο μέσο πρόβλεψης “κοσμολογικών υπογραφών” για μοντέλα σκοτεινής ύλης.
Μια ομάδα φυσικών ανέπτυξε μια μέθοδο για την πρόβλεψη της σύνθεσης της σκοτεινής ύλης· μία αόρατη ύλη που ανιχνεύεται μόνο από τη βαρυτική της έλξη στη συνηθισμένη ύλη, την οποία οι επιστήμονες προσπαθούν να ανακαλύψουν εδώ και καιρό.
Η εργασία, δημοσιευμένη στο περιοδικό Physical Review Letters, επικεντρώνεται στην πρόβλεψη «κοσμολογικών υπογραφών» για μοντέλα της σκοτεινής ύλης με μάζα μεταξύ αυτής του ηλεκτρονίου και αυτής του πρωτονίου. Προηγούμενες μέθοδοι είχαν προβλέψει παρόμοιες υπογραφές για απλούστερα μοντέλα σκοτεινής ύλης. Η καινούργια έρευνα καθιερώνει νέους τρόπους εύρεσης αυτών των υπογραφών -τις οποίες τα πειράματα εξακολουθούν να αναζητούν- σε πιο πολύπλοκα μοντέλα, σημειώνουν οι συγγραφείς της εργασίας.
Credit: Cara Giovanetti/New York University
«Τα πειράματα που αναζητούν τη σκοτεινή ύλη δεν αποτελούν τον μόνο τρόπο για να μάθουμε περισσότερα για αυτόν τον μυστηριώδη τύπο ύλης», λέει η Cara Giovanetti, διδακτορική φοιτήτρια στο Τμήμα Φυσικής του Πανεπιστημίου της Νέας Υόρκης και επικεφαλής συγγραφέας της εργασίας.
Οι ακριβείς μετρήσεις διαφόρων παραμέτρων του σύμπαντος (όπως η ποσότητα ηλίου στο σύμπαν ή οι θερμοκρασίες διαφορετικών σωματιδίων στο πρώιμο σύμπαν) μπορούν επίσης να μας διδάξουν πολλά για τη σκοτεινή ύλη», προσθέτει η Giovanetti, εξηγώντας συνοπτικά την μέθοδο που περιγράφεται στην δημοσίευση.
Στην έρευνα, που διεξήχθη μαζί με τον Hongwan Liu, μεταδιδακτορικό συνεργάτη του NYU, τον Joshua Ruderman, αναπληρωτή καθηγητή στο Τμήμα Φυσικής του NYU, και τη φυσικό του Princeton Mariangela Lisanti, η Giovanetti και οι συν-συγγραφείς της επικεντρώθηκαν στην πυρηνοσύνθεση της Μεγάλης Έκρηξης (big bang nucleosynthesis – BBN)· μια διαδικασία κατά την οποία δημιουργούνται ελαφριές μορφές ύλης, όπως ήλιο, υδρογόνο και λίθιο. Η παρουσία αόρατης σκοτεινής ύλης επηρεάζει τον τρόπο σχηματισμού καθενός από αυτά τα στοιχεία. Ζωτικής σημασίας, επίσης, για αυτά τα φαινόμενα είναι το κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων (cosmic microwave background – CMB), δηλαδή η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία που δημιουργείται από το συνδυασμό ηλεκτρονίων και πρωτονίων, η οποία παρέμεινε μετά το σχηματισμό του σύμπαντος.
Credit: Hubblesite; Visualization: Frank Summers, Space Telescope Science Institute; Simulation: Martin White and Lars Hernquist, Harvard University.
Η ομάδα με το να δημιουργήσει μοντέλα που λαμβάνουν υπόψη τόσο το BBN όσο και το CMB, στην ουσία αναζήτησε ένα μέσο για να εντοπίσει την παρουσία μιας συγκεκριμένης κατηγορίας σκοτεινής ύλης -την ύλη με μάζα μεταξύ αυτής του ηλεκτρονίου και αυτής του πρωτονίου.
Μια τέτοια σκοτεινή ύλη είναι σε θέση να μεταβάλλει την αφθονία ορισμένων στοιχείων που παρήχθησαν στο πρώιμο σύμπαν και έτσι να αφήσει ένα αποτύπωμα στο κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων τροποποιώντας το πόσο γρήγορα διαστέλλεται το σύμπαν”, εξηγεί η Giovanetti.
Στην έρευνά της, η ομάδα έκανε προβλέψεις για κοσμολογικές υπογραφές που συνδέονται με την παρουσία ορισμένων μορφών σκοτεινής ύλης. Αυτές οι υπογραφές ουσιαστικά είναι το αποτέλεσμα των αλλαγών που επιφέρει η σκοτεινή ύλη στις θερμοκρασίες των διαφορετικών σωματιδίων ή στην ταχύτητα διαστολής του σύμπαντος.
Τα αποτελέσματά τους έδειξαν ότι μία σκοτεινή ύλη που είναι πολύ ελαφριά θα οδηγήσει σε διαφορετικές αφθονίες ελαφρών στοιχείων από αυτές που παρατηρούμε.
«Ελαφρύτερες μορφές σκοτεινής ύλης θα μπορούσαν να κάνουν το σύμπαν να διαστέλλεται τόσο γρήγορα ώστε αυτά τα στοιχεία να μην έχουν την ευκαιρία να σχηματιστούν», λέει η Giovanetti, περιγράφοντας ένα σενάριο.
«Από την ανάλυσή μας μαθαίνουμε ότι ορισμένα μοντέλα σκοτεινής ύλης δεν μπορούν να έχουν πολύ μικρή μάζα, διαφορετικά το σύμπαν θα φαινόταν διαφορετικό από αυτό που παρατηρούμε», προσθέτει.
Παραπομπές:
Cara Giovanetti et al, Joint Cosmic Microwave Background and Big Bang Nucleosynthesis Constraints on Light Dark Sectors with Dark Radiation, Physical Review Letters (2022). DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.021302
Πηγή: https://phys.org/
