Nová teória o podstate temnej hmoty vysvetľuje záhadný nedostatok v páre Galaxy

Štúdia pod vedením UC Riverside zistila, že teória tmavej hmoty, ktorá interaguje so sebou, vysvetľuje, prečo majú dve galaxie menej tmavej hmoty ako ostatné.

Nová teória o podstate temnej hmoty pomáha vysvetliť, prečo dvojica galaxií vzdialených asi 65 miliónov svetelných rokov od Zeme obsahuje veľmi málo záhadnej hmoty, uvádza štúdia vedená fyzikom z Kalifornskej univerzity v Riverside.

Tmavá hmota nie je svetielkujúca a nemožno ju vidieť priamo. Ak sa predpokladá, že tvorí 85% hmoty vo vesmíre, jeho podstata nie je dobre pochopená. Na rozdiel od normálnej hmoty neabsorbuje, neodráža ani nevyžaruje svetlo, takže je ťažké ho odhaliť.

Prevládajúca teória temnej hmoty, známa ako studená tmavá hmota alebo CDM, predpokladá, že častice tmavej hmoty sú okrem gravitácie aj bezkolízne. Novšia druhá teória, nazývaná samointeragujúca tmavá hmota alebo SIDM, navrhuje, aby častice tmavej hmoty interagovali pomocou novej temnej sily. Obe teórie vysvetľujú, ako vzniká celková štruktúra vesmíru, ale predpovedajú rôzne distribúcie tmavej hmoty vo vnútorných oblastiach galaxie. SIDM naznačuje, že častice tmavej hmoty navzájom silne narážajú vo vnútornej aureole galaxie, blízko jej stredu.

Hai-Bo Yu je teoretický fyzik so skúsenosťami v oblasti vlastností častíc tmavej hmoty. Poďakovanie: Samantha Tieu

Typicky je viditeľná galaxia hostená neviditeľnou halo temnej hmoty – koncentrovaným zhlukom materiálu v tvare gule, ktorý obklopuje galaxiu a je držaný pohromade gravitačnými silami. Posledné pozorovania dvoch ultra-difúznych galaxií, NGC 1052-DF2 a NGC 1052-DF4, však ukazujú, že táto dvojica galaxií obsahuje veľmi málo temnej hmoty, ak vôbec nejakú, čo sťažuje pochopenie formovania galaxií fyzikmi. Astrofyzikálne pozorovania naznačujú, že NGC 1052-DF2 a NGC 1052-DF4 sú pravdepodobne satelitné galaxie NGC1052.

„Všeobecne sa predpokladá, že temná hmota dominuje nad celkovou hmotou v galaxii,“ uviedol Hai-Bo Yu, docent fyziky a astronómie na UCR, ktorý štúdiu viedol. „Pozorovania NGC 1052-DF2 a -DF4 však ukazujú, že pomer ich temnej hmoty k ich hviezdnym hmotám je asi 1, čo je 300-krát menej, ako sa očakávalo. Na vyriešenie nezrovnalosti sme sa domnievali, že haly DF2 a DF4 môžu stratiť väčšinu svojej hmotnosti prílivovými interakciami s masívnou galaxiou NGC 1052. “

Pomocou sofistikovaných simulácií tím vedený UCR reprodukoval vlastnosti NGC 1052-DF2 a NGC 1052-DF4 pomocou prílivového odizolovania – odizolovania materiálu galaktickými prílivovými silami – pomocou NGC1052. Pretože satelitné galaxie nedokážu udržať vyzlieknutú hmotu vlastnými gravitačnými silami, efektívne sa pridáva k hmotnosti NGC 1052.

Vedci zvažovali scenáre CDM aj SIDM. Ich výsledky publikované vo Fyzikálnych prehľadových listoch naznačujú, že SIDM formuje galaxie s nedostatkom tmavej hmoty ako NGC 1052-DF2 a -DF4 oveľa priaznivejšie ako CDM, pretože úbytok prílivovej hmoty vnútorného halo je výraznejší a hviezdna distribúcia je výraznejšia rozptýlené v SIDM.

Výskumný príspevok bol časopisom vybraný ako „návrh redakcie“, čo je cťou, ktorú každý týždeň dostane iba niekoľko vybraných príspevkov na podporu čítania v rôznych odboroch.

Yu vysvetlil, že k úbytku prílivovej hmotnosti môže dôjsť v halách CDM aj SIDM. V CDM je vnútorná halo štruktúra „tuhá“ a odolná voči odlivu, čo typickému halou CDM sťažuje stratu dostatočnej vnútornej hmoty v prílivovom poli na uskutočnenie pozorovaní NGC 1052-DF2 a -DF4. Naproti tomu v SIDM mohli vzájomné interakcie tmavej hmoty tlačiť častice tmavej hmoty z vnútornej do vonkajšej oblasti, čo by spôsobilo, že vnútorné halo je „nadýchanejšie“ a podľa toho by sa zvýšila strata prílivovej hmoty. Ďalej sa hviezdna distribúcia stáva difúznejšou.

„Typický halo CDM zostáva vo vnútorných oblastiach príliš masívne aj po prílivovom vývoji,“ uviedol Yu.

Ďalej tím uskutoční komplexnejšiu štúdiu systému NGC 1052 a preskúma novoobjavené galaxie s novými vlastnosťami v snahe lepšie pochopiť podstatu temnej hmoty.

Odkaz: „Samočinne pôsobiace temné látky a vznik ultradifúznych galaxií NGC1052-DF2 a -DF4“, autor: Daneng Yang, Hai-Bo Yu a Haipeng An, 9. septembra 2020, Fyzické prehľadové listy.
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.125.111105

Yu sa do štúdie zapojili Daneng Yang a Haipeng An z univerzity Tsinghua v čínskom Pekingu. Yu podporili granty od amerického ministerstva energetiky a americkej Národnej vedeckej nadácie.